[发明专利]全相位时移相位差频率估计方法及装置

说明书

本发明属于数字信号处理领域，为提供改进的全相位时移相位差频率估计方法及装置，能够提高精度、鲁棒性，降低信噪比门限。本发明采用的技术方案是，全相位时移相位差频率估计方法，包括如下步骤：Step 1输入M＝2N‑1+L个样本即x(‑N+1‑L)～x(N‑1)，获得第一路相位值Step 2对x(‑N+1‑L)～x(N‑1‑L)做全相位FFT，直接取其峰值谱位置索引值k＝k₂^*处的相位，作为第二路相位值Step 3将两路相位的差值乘以1/(△ωL)后，获得初始频偏估计Step 4对初始频偏估计进行频移补偿处理，得到修正后的频偏值估计Step 5输出归一化的频率估计值本发明主要应用于数字信号处理。

技术领域

本发明属于数字信号处理领域，涉及给定有限样本，提升信号频率估计精度的问题。具体讲,涉及改进的全相位时移相位差频率估计法及其装置。

背景技术

频率估计是信号处理的最基本问题之一，也是振动分析[1]、阵列信号处理[2]、电磁学[3]等众多领域的关键问题。众所周知，该问题的最大似然估计落在信号的离散时间傅立叶变换(Discrete Time Fourier Transform,DTFT)的谱峰位置处，然而理想的DTFT工程上无法实现。故实际应用中，通常用DFT(Discrete Fourier Transform，其快速算法为FFT)取代DTFT。为克服FFT的栅栏效应，故需进一步对FFT峰值谱附近的谱线做内插[4,5]、校正[6]等处理，获得更精确的频率估计。

频率、幅值、相位是谐波信号的3个基本参数，而其中频率和相位的关系最为密切(频率对时间的积分即为相位变化量)。因而，从存在时延关系的两段样本中提取FFT峰值谱的相位差信息，就可以衍生出不同形式的相位差频率估计法[6-13]；而且基于相位差的频率估计已被理论证明是无偏的[13]，这也是相比于其他谱校正法的优势。故在有些对相位参数敏感的场合，如电力系统谐波分析[14]、光学工程[15]等，基于相位差的频率估计法往往起到其他频率估计法无法替代的作用。

全相位FFT(all-phase FFT,apFFT)因其兼备优良的抑制谱泄漏性能和很高的相位测量精度(即“相位不变性”[16])，故适合做基于相位差的频率估计。对存在时延关系的两段样本的apFFT峰值谱相位值作差分，即可得到全相位时移相位差频率估计法[9]，其价值已在密集谱校正[17]、光学目标重构[18]、电力谐波检测[14,19]等领域得到证实，文献[11]还推导出了全相位时移相位差法在时延为1个样本时的算法表述形式，提高了其实用性。为提升上述领域的检测性能，需对原估计器做进一步改进。

对于原有的全相位时移相位差频率估计器，文献[11]发现了其精度与信号的频率偏离程度有关(即频偏值δ越接近0.5，精度越低)，但该文献没有结合apFFT的性质对该实验结果做深入分析，也没有设计有效的改进措施。另外，衡量频率估计器精度的最有信服力的参考就是克拉美罗限(Cramer-Rao Lower Bound,CRB)[20]，文献[9,11]仅对全相位时移相位差法在噪声中误差做了测试，没有把频率估计方差与CRB进行对照。

针对以上不足，本发明提出一种高精度全相位时移相位差频率估计器，该估计器在全相位预处理环节引入无窗卷积窗替代文献[9,11]的双窗卷积窗；另外，对原有估计器的输出进行频移补偿，使得不管频率怎样偏离，峰值谱总能接近理想幅值，从而提高估计器抵御噪声的能力。改进后的估计器在任何频偏情况下，其精度不仅大大高于经典的全相位时移相位差估计器，而且高于国际上近期提出的Candan估计器[21]及其改进版本[22]，其频率估计方差在任意频偏情况下都可逼近CRB。

本发明提出的高精度全相位时移相位差频率估计法，在估计精度和噪声鲁棒性两方面大大改进了经典全相位时移相位差法的性能，在阵列信号处理、雷达通信、电磁学等领域有着非常广泛的应用前景。

参考文献