[发明专利]一种用FPGA芯片实现的快速高精度频率测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种应用FPGA芯片实现的快速高精度频率测量的方法，属于数字信号处理领域。

背景技术

频率测量是电子侦察、雷达、通信等工程领域中一个重要问题。在不同的信噪比条件下，不同方法所得到的频率测量精度各不相同，但是，无论采用哪种频率测量方法，其频率测量的均方根误差(RMSE)都不会小于一个下限：克拉美-罗界[3](CLRB)。文献[3]给出的最大似然频率测量方法(ML)能够达到此界限，因此被称为最优测量。但是，ML法要进行一维搜索，运算量很大，实时处理性能差，不便于工程实现。文献[4]给出的频率测量方法，虽然速度很快，但是在信噪比比较低时(小于6dB)性能很差，无法达到工程应用要求。文献[5]给出的频率测量方法是对ML方法的一种近似解，性能接近CLRB，但在较低信噪比时会出现解的发散现象，计算量也较大，不易硬件实现。

文献[1]给出的频率测量方法，在对输入信号进行一次FFT运算后，利用最大谱线及其左边或右边的一根次大谱线进行插值来确定真实频率位置，即Rife方法。该方法只需要一次FFT运算，因此，运算量小，容易硬件实现。Rife方法在量化频率中心区域的频率测量误差很小，接近CLRB，但是在FFT量化频率附近的误差却较大。

这里给出的MRife方法通过对输入信号进行频谱搬移，使得信号的频率始终位于量化频率的中心区域，提高了频率测量精度。MRife方法频率测量精度大大提高，当SNR＞0dB时方法频率测量的均方根误差接近CLRB，且在整个频带内性能平稳。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了一种应用FPGA芯片实现的快速高精度频率测量的方法。本发明通过对输入信号进行频谱搬移，使得信号的频率始终位于量化频率的中心区域，提高了频率测量精度。本方法测量频率的精度大大提高，当SNR＞0dB时方法频率测量的均方根误差接近CLRB，且在整个频带内性能平稳。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

一种应用FPGA芯片实现的快速高精度频率测量的方法，包括如下步骤：

步骤1，将输入信号分成并行的三路，第一路输入信号平移-1/3FFT量化频率，第二路输入信号平移1/3FFT量化频率，第三路输入信号不做频移；

步骤2，对每一路输入信号做FFT运算，确定最大谱线值|X(k₀)|、次大谱线值|X(k₀+r)|、最大谱线值对应的信号频率k₀以及平移系数r的取值，具体包括如下步骤：

步骤2-1，定义输入信号x(n)，对x(n)做FFT运算；

其中，x(n)=aej(2πfcnΔt+Φ0)+v(n)]]>n＝0，1，L，N-1                                        (1)

a为振幅、f_c为初始频率、Ф₀为初相，Δt为采样间隔、N为样本数，的实部和虚部相互独立且都服从N(0，σ²)分布，σ²是常数表示噪声方差；

步骤2-2-1，比较频谱上所有信号频率对应的谱线值；

当信号频率处在量化频率中心区域时，取实部绝对值的最大值作为量化频率中心区域最大谱线值；

当信号频率处在非量化频率中心区域时，取虚部绝对值的最大值作为非量化频率中心区域最大谱线值；

步骤2-2-2，比较量化频率中心区域的最大谱线值和非量化频率中心区域的最大谱线值，取大者作为整个频谱的最大谱线值；

步骤2-2-3，取最大谱线值对应的信号频率作为k₀；