全相位時移相位差頻率估計方法及裝置制造方法及圖紙

本發明專利技術屬于數字信號處理領域，為提供改進的全相位時移相位差頻率估計方法及裝置，能夠提高精度、魯棒性，降低信噪比門限。本發明專利技術采用的技術方案是，全相位時移相位差頻率估計方法，包括如下步驟：Step?1輸入M＝2N?1+L個樣本即x(?N+1?L)～x(N?1)，獲得第一路相位值Step?2對x(?N+1?L)～x(N?1?L)做全相位FFT，直接取其峰值譜位置索引值k＝k2*處的相位，作為第二路相位值Step?3將兩路相位的差值乘以1/(△ωL)后，獲得初始頻偏估計Step?4對初始頻偏估計進行頻移補償處理，得到修正后的頻偏值估計Step?5輸出歸一化的頻率估計值本發明專利技術主要應用于數字信號處理。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于數字信號處理領域，涉及給定有限樣本，提升信號頻率估計精度的問題。具體講,涉及改進的全相位時移相位差頻率估計法及其裝置。
技術介紹
頻率估計是信號處理的最基本問題之一，也是振動分析[1]、陣列信號處理[2]、電磁學[3]等眾多領域的關鍵問題。眾所周知，該問題的最大似然估計落在信號的離散時間傅立葉變換(DiscreteTimeFourierTransform,DTFT)的譜峰位置處，然而理想的DTFT工程上無法實現。故實際應用中，通常用DFT(DiscreteFourierTransform，其快速算法為FFT)取代DTFT。為克服FFT的柵欄效應，故需進一步對FFT峰值譜附近的譜線做內插[4,5]、校正[6]等處理，獲得更精確的頻率估計。頻率、幅值、相位是諧波信號的3個基本參數，而其中頻率和相位的關系最為密切(頻率對時間的積分即為相位變化量)。因而，從存在時延關系的兩段樣本中提取FFT峰值譜的相位差信息，就可以衍生出不同形式的相位差頻率估計法[6-13]；而且基于相位差的頻率估計已被理論證明是無偏的[13]，這也是相比于其他譜校正法的優勢。故在有些對相位參數敏感的場合，如電力系統諧波分析[14]、光學工程[15]等，基于相位差的頻率估計法往往起到其他頻率估計法無法替代的作用。全相位FFT(all-phaseFFT,apFFT)因其兼備優良的抑制譜泄漏性能和很高的相位測量精度(即“相位不變性”[16])，故適合做基于相位差的頻率估計。對存在時延關系的兩段樣本的apFFT峰值譜相位值作差分，即可得到全相位時移相位差頻率估計法[9]，其價值已在密集譜校正[17]、光學目標重構[18]、電力諧波檢測[14,19]等領域得到證實，文獻[11]還推導出了全相位時移相位差法在時延為1個樣本時的算法表述形式，提高了其實用性。為提升上述領域的檢測性能，需對原估計器做進一步改進。對于原有的全相位時移相位差頻率估計器，文獻[11]發現了其精度與信號的頻率偏離程度有關(即頻偏值δ越接近0.5，精度越低)，但該文獻沒有結合apFFT的性質對該實驗結果做深入分析，也沒有設計有效的改進措施。另外，衡量頻率估計器精度的最有信服力的參考就是克拉美羅限(Cramer-RaoLowerBound,CRB)[20]，文獻[9,11]僅對全相位時移相位差法在噪聲中誤差做了測試，沒有把頻率估計方差與CRB進行對照。針對以上不足，本專利技術提出一種高精度全相位時移相位差頻率估計器，該估計器在全相位預處理環節引入無窗卷積窗替代文獻[9,11]的雙窗卷積窗；另外，對原有估計器的輸出進行頻移補償，使得不管頻率怎樣偏離，峰值譜總能接近理想幅值，從而提高估計器抵御噪聲的能力。改進后的估計器在任何頻偏情況下，其精度不僅大大高于經典的全相位時移相位差估計器，而且高于國際上近期提出的Candan估計器[21]及其改進版本[22]，其頻率估計方差在任意頻偏情況下都可逼近CRB。本專利技術提出的高精度全相位時移相位差頻率估計法，在估計精度和噪聲魯棒性兩方面大大改進了經典全相位時移相位差法的性能，在陣列信號處理、雷達通信、電磁學等領域有著非常廣泛的應用前景。參考文獻[1]UrbanekJ.,BarszczT.,AntoniJ.Atwo-stepprocedureforestimationofinstantaneousrotationalspeedwithlargefluctuations[J].MechanicalSystemsandSignalProcessing,2013,38(1):96-102.[2]WangW-Q,SoH-C.Transmitsubaperturingforrangeandangleestimationinfrequencydiversearrayradar[J].SignalProcessing,IEEETransactionson,2014,62(8):2000-11.[3]XuY.,YuanQ.,ZouJ.,etal.Analysisoftriangularperiodiccarrierfrequencymodulationonreducingelectromagneticnoiseofpermanentmagnetsynchronousmotor[J].Magnetics,IEEETransactionson,2012,48(11):4424-7.[4]齊國清,賈欣樂.插值FFT估計正弦信號頻率的精度分析[J].電子學報,2004,32(4):625-9.QiGuoqing,JiaXinle.AccuracyAnalysisofFrequencyEstimationofSinusoidBasedonInterpolatedFFT[J].ActaElectronicaSinica,2004,32(4):625-9.(InChinese)[5]AboutaniosE.,MulgrewB..IterativefrequencyestimationbyinterpolationonFouriercoefficients[J].SignalProcessing,IEEETransactionson,2005,53(4):1237-42.[6]丁康,鐘舜聰.通用的離散頻譜相位差校正方法[J].電子學報,2003,31(1):142-5.DingKang,ZhongShuncong[J].AUniversalPhaseDiferenceCorrectingMethodsonDiscreteSpectrum,ActaElectronicaSinica,2003,31(1):142-5.(InChinese)[7]齊國清,賈欣樂.基于DFT相位的正弦波頻率和初相的高精度估計方法[J].電子學報,2001,29(9):1164-7.QiGuoqing,JiaXinle.High-AccuracyFrequencyandPhaseEstimationofSingle-ToneBasedonPhaseofDFT.ActaElectronicaSinica,2001,29(9):1164-7.(InChinese)[8]齊國清.利用FFT相位差校正信號頻率和初相估計的誤差分析[J].數據采集與處理,2003,18(1):7-11.QiGuoqing.ErrorAnalysisofFrequencyandPhaseEstimationsBasedonPhaseDifferenceofSegmentedFFTs[J].JournalofData...

【技術保護點】
一種全相位時移相位差頻率估計方法，其特征是，包括如下步驟：Step?1輸入M＝2N?1+L個樣本即x(?N+1?L)～x(N?1)，對其中的2N?1個樣本即x(?N+1)～x(N?1)作無窗全相位FFT，取其峰值譜位置索引值k＝k*處的相位將其減去時延相位k*ΔωL＝k*2πL/N后，再作取模及相位調整處理，獲得第一路相位值其中，Δω＝2π/N，為角頻率分辨率值；Step?2對x(?N+1?L)～x(N?1?L)做全相位FFT，直接取其峰值譜位置索引值k＝k2*處的相位，作為第二路相位值Step?3將兩路相位的差值乘以1/(ΔωL)后，獲得初始頻偏估計Step?4對初始頻偏估計進行頻移補償處理，得到修正后的頻偏值估計Step?5輸出歸一化的頻率估計值

【技術特征摘要】
1.一種全相位時移相位差頻率估計方法，其特征是，包括如下步驟：
Step1輸入M＝2N-1+L個樣本即x(-N+1-L)～x(N-1)，對其中的2N-1個樣本即x(-N+1)
～x(N-1)作無窗全相位FFT，取其峰值譜位置索引值k＝k*處的相位將其減去時延相
位k*ΔωL＝k*2πL/N后，再作取模及相位調整處理，獲得第一路相位值其中，Δω＝2π/
N，為角頻率分辨率值；
Step2對x(-N+1-L)～x(N-1-L)做全相位FFT，直接取其峰值譜位置索引值k＝k2*處的
相位，作為第二路相位值Step3將兩路相位的差值乘以1/(ΔωL)后，獲得初始頻偏估計Step4對初始頻偏估計進行頻移補償處理，得到修正后的頻偏值估計Step5輸出歸一化的頻率估計值2.如權利要求1所述的全相位時移相位差頻率估計方法，其特征是，Step1中的“取模
及相位調整”的處理過程為：
(1)將相位差模除2π，得到相位值(2)對做如下相位調整，而得到第1路最終相位輸出值3.如權利要求1所述的全相位時移相位差頻率估計方法，其特征是，Step4中的“頻移
補償”的處理過程如下：
給定小閾值ξ，對初始頻偏估計作如下分情況處理：
(1)若則構造序列-N+1-L≤n≤N-1對x(n)做頻移，即x(n)←
x(n)s(n)，重復Step1～Step3的過程，得到新的頻偏估計δ'，輸出(2)若不滿足即直接輸出4.一種全相位時移相位差頻率估計裝置，其特征是，包括：模數轉換模塊、時延模塊、數
字信號處理器DSP，待測頻率信號x(t)進行模數轉換處...

【專利技術屬性】
技術研發人員：黃翔東，白瑞朋，
申請(專利權)人：天津大學，
類型：發明
國別省市：天津;12