一种基于Rife-Quinn综合的MPSK信号载频估计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于Rife‑Quinn综合的MPSK信号载频估计方法，包括以下步骤：S10、获取待处理的MPSK信号采样数据序列；S20、通过对MPSK信号进行多次平方变换并去除其直流成分，将MPSK信号载频估计问题转换为CW信号频率估计问题；S30、使用Rife插值算法对CW信号进行频率估计，当估计后的信号频谱泄漏变大时，使用Quinn插值算法修正Rife插值的方向；S40、根据CW信号的频率估计值计算MPSK信号载频。相较于传统的Rife插值和Quinn插值，本发明专利技术的方法能够在低信号数据量以及低信噪比环境下准确地估计出MPSK信号的载频，适合工程上对MPSK信号载频进行快速稳健估计。

A Carrier Frequency Estimation Method for MPSK Signal Based on Rife-Quinn Synthesis

The invention discloses a carrier frequency estimation method of MPSK signal based on Rife Quinn synthesis, which includes the following steps: S10, acquiring the sample data sequence of MPSK signal to be processed; S20, transforming the carrier frequency estimation of MPSK signal into the frequency estimation of CW signal through multiple square transformations of MPSK signal and removing its DC component; S30, using Rife interpolation algorithm to carry out CW signal; Frequency estimation uses Quinn interpolation algorithm to correct the direction of Rife interpolation when the estimated signal spectrum leakage becomes larger; S40 calculates the carrier frequency of MPSK signal according to the frequency estimation of CW signal. Compared with traditional Rife interpolation and Quinn interpolation, the method of the present invention can accurately estimate the carrier frequency of MPSK signal in low signal data volume and low signal-to-noise ratio environment, and is suitable for fast and robust estimation of the carrier frequency of MPSK signal in engineering.

【技术实现步骤摘要】
一种基于Rife-Quinn综合的MPSK信号载频估计方法
本专利技术属于信号处理领域，具体涉及一种基于Rife-Quinn综合的MPSK信号载频估计方法。
技术介绍
MPSK(MultiplePhaseShiftKeying)信号即多进制相移键控信号，由于其良好的抗噪声性能，使得该类信号被广泛用于空中以及水下通信领域中，故对于非合作MPSK类信号进行侦查与参数估计具有重要的军事意义，而其中MPSK信号载频的精确估计是很多其它信号参数能够估计的前提，目前常用的MPSK信号载频估计方法主要有小波变换法、谱相关法和平方变换法等。基于小波变换的载频估计方法可在较低信噪比下同时估计出信号的载频以及码速率，但是基于小波变换的方法在不同小波函数以及尺度因子下，估计载频性能差异明显，如何选取最优的小波基函数以及尺度因子尚未找到解决办法。基于谱相关的载频估计方法在低信噪比下也能同时估计出信号的载频以及码速率并且具有较强的抗干扰能力，但是该方法仅能直接估计出BPSK信号的载频，其它MPSK信号载频则需要进行非线性变换以后才能利用该方法进行载频估计，另外计算信号谱相关函数的算法复杂度较大，估计信号载频的时候还需要在谱相关函数的二维平面上进行谱峰搜索，进一步增大了该算法的运算量使其难以用于工程实践。基于平方变换的方法，通常利用平方变换将MPSK信号转变成CW信号，然后通过Rife插值或者Quinn插值算法进行载频估计，该方法算法复杂度小，但是在低信噪比以及低数据量情况下Rife插值或者Quinn插值的插值方向有可能出错，导致载频估计精度下降，如何降低插值方向的出错概率以提高载频估计精度是当前亟待解决的问题。
技术实现思路
专利技术目的：针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种MPSK信号载频估计方法，该方法计算复杂度小，且在低信噪比以及低信号数据量环境下估计精度较高。技术方案：为了实现以上目的，本专利技术采用以下技术方案：一种基于Rife-Quinn综合的MPSK信号载频估计方法，包括以下步骤：S10、获取待处理的MPSK信号采样数据序列，信号采样频率为fs；S20、通过对MPSK信号进行多次平方变换并去除其直流成分，将MPSK信号载频估计问题转换为CW信号频率估计问题；S30、使用Rife插值算法对CW信号进行频率估计，当估计后的信号频谱泄漏变大时，使用Quinn插值算法修正Rife插值的方向；S40、根据CW信号的频率估计值计算MPSK信号载频。优选地，所述步骤S10中，从传感器接收N个采样点的实时采集数据，或者从存储器中提取从检测到信号时刻起始的N个采样点的数据，作为待处理的MPSK信号数据序列x(n),n＝0,1,···,N-1。优选地，所述步骤S20包括以下步骤：S21、对信号进行平方，得到信号平方之后的信号x2(n)，即：x2(n)＝x2(n),n＝0,1,2,…N-1(1)S22、对平方信号x2(n)进行傅里叶变换，求其频谱X2(f)，即：X2(f)＝FFT{x2(n)}(2)其中f＝-fs/2,-fs/2+fs/N,…fs/2-fs/N，FFT{·}表示求傅里叶变换运算；并令X2(0)＝0，从而去除了频谱中的直流成分；然后对此时的X2(f)进行反傅里叶变换，得到x2(n)去除直流分量之后的时域信号x'2(n)，即：x'2(n)＝IFFT{X2(f)}(3)其中IFFT{·}表示求反傅里叶变换；当MPSK信号为BPSK信号时则只需要一次平方变换去直流操作，则此时的x'2(n)即为不包含直流成分的CW信号；而对于4PSK信号则需要两次平方变换去直流操作，即对时域信号x'2(n)再一次进行步骤S21、S22中的操作，其它MPSK类信号以此类推。优选地，所述步骤S30包括以下步骤：S31、对步骤S20中得到的x'2(n)进行傅里叶变换，并取其幅度谱X'2(f)的正半频率部分，即：X'2(f)＝|FFT{x'2(n)}|,f＞0(4)其中|·|表示求模值运算，并寻找X'2(f)谱峰处对应的最大频率点对应的点数索引k0，即：k0＝max(k)(5)其中k表示X'2(f)每个谱峰处对应的离散频率点对应的离散点数索引，k的取值范围为1≤k≤N/2-1，max{·}表示求最大值运算；S32、利用Rife插值估计x'2(n)的频率Rife插值的计算公式如下：当X'2(k0+1)＞X'2(k0-1)时α＝1；当X'2(k0+1)≤X'2(k0-1)时α＝-1,α表示Rife插值算法的插值方向；同时求取比值r0：r0表示频谱X'2(k)在k0处的泄露程度；S33、对x'2(n)信号进行截断处理得到截断后的数据x”2(n)，截断的长度W为：即：x”2(n)＝x'2(n),n＝0,1,2,…W-1(9)其中round{·}代表四舍五入运算，并对x”2(n)做傅里叶变换，得到其幅度谱并取其正频率部分记为X”2(f1)，即：X”2(f1)＝|FFT{x”2(n)}|,f1＞0(10)这里f1＝-fs/2,-fs/2+fs/W,…fs/2-fs/W，接着寻找X”2(f1)谱峰处对应的最大离散频率点对应的离散点数索引k'0，即：k’0＝max(k')(11)其中k'表示X”2(f1)每个谱峰处对应的离散频率点对应的离散点数索引，k'的取值范围为1≤k'≤W/2-1，并求比值r1：r1表示频谱X”2(k')在k'0处的泄露程度；S34、比较r0和r1，若r1≥r0，则x'2(n)的最终频率估计即为若r1＜r0，则使用Quinn插值算法对Rife插值算法的方向进行重新判定，其具体过程如下：根据Quinn插值算法，求Quinn插值算法中的频率修正项δ，然后结合步骤S32进行以下判定：若步骤S32中X'2(k0+1)＞X'2(k0-1)且δ＞0，此时认为Rife插值的方向正确，无需对其插值方向进行修正，若X'2(k0+1)＞X'2(k0-1)且δ＜0，此时认为Rife插值的方向有误，并令α＝-α，使用公式(6)重新对x'2(n)的频率进行估计；同理若步骤S32中X'2(k0+1)＜X'2(k0-1)且δ＜0，此时认为Rife插值的方向正确，无需对其插值方向进行修正，若X'2(k0+1)＜X'2(k0-1)且δ＞0，此时认为Rife插值的方向有误，并令α＝-α，使用公式(6)重新对x'2(n)的频率进行估计。优选地，所述步骤S40包括以下步骤：根据步骤S30通过Quinn插值算法修正Rife插值算法之后估计得到的频率MPSK信号的载频Fc计算公式如下：其中当x(n)为BPSK信号时则M＝2，为4PSK(QPSK)时M＝4，其它MPSK信号以此类推。有益效果：本专利技术通过平方变换去直流方法将MPSK信号转变成CW信号，通过对CW信号进行Rife-Quinn综合频率估计方法，来估计出MPSK信号的载频。本专利技术方法通过综合Rife插值算法和Quinn插值算法大大提高了在低信噪比以及低信号数据量的环境下CW信号载频估计精度，进而提高了MPSK信号的载频估计精度，且该方法计算量小，适合工程上对MPSK信号载频进行快速稳健估计。附图说明图1为本专利技术的方法流程图；图2为根据本专利技术实施例的BPSK信号时域图；图3为根据本专利技术实施例的BPSK信号功率谱图；图4为根据本专利技术实施例本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于Rife‑Quinn综合的MPSK信号载频估计方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：S10、获取待处理的MPSK信号采样数据序列，信号采样频率为fs；S20、通过对MPSK信号进行多次平方变换并去除其直流成分，将MPSK信号载频估计问题转换为CW信号频率估计问题；S30、使用Rife插值算法对CW信号进行频率估计，当估计后的信号频谱泄漏变大时，使用Quinn插值算法修正Rife插值的方向；S40、根据CW信号的频率估计值计算MPSK信号载频。

【技术特征摘要】
1.一种基于Rife-Quinn综合的MPSK信号载频估计方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：S10、获取待处理的MPSK信号采样数据序列，信号采样频率为fs；S20、通过对MPSK信号进行多次平方变换并去除其直流成分，将MPSK信号载频估计问题转换为CW信号频率估计问题；S30、使用Rife插值算法对CW信号进行频率估计，当估计后的信号频谱泄漏变大时，使用Quinn插值算法修正Rife插值的方向；S40、根据CW信号的频率估计值计算MPSK信号载频。2.根据权利要求1所述的基于Rife-Quinn综合的MPSK信号载频估计方法，其特征在于，所述步骤S10中，从传感器接收N个采样点的实时采集数据，或者从存储器中提取从检测到信号时刻起始的N个采样点的数据，作为待处理的MPSK信号数据序列x(n),n＝0,1,···,N-1。3.根据权利要求1所述的基于Rife-Quinn综合的MPSK信号载频估计方法，其特征在于，所述步骤S20包括以下步骤：S21、对信号进行平方，得到信号平方之后的信号x2(n)，即：x2(n)＝x2(n),n＝0,1,2,…N-1(1)S22、对平方信号x2(n)进行傅里叶变换，求其频谱X2(f)，即：X2(f)＝FFT{x2(n)}(2)其中f＝-fs/2,-fs/2+fs/N,…fs/2-fs/N，FFT{·}表示求傅里叶变换运算；并令X2(0)＝0，从而去除了频谱中的直流成分；然后对此时的X2(f)进行反傅里叶变换，得到x2(n)去除直流分量之后的时域信号x'2(n)，即：x'2(n)＝IFFT{X2(f)}(3)其中IFFT{·}表示求反傅里叶变换；当MPSK信号为BPSK信号时则只需要一次平方变换去直流操作，则此时的x'2(n)即为不包含直流成分的CW信号；而对于4PSK信号则需要两次平方变换去直流操作，即对时域信号x'2(n)再一次进行步骤S21、S22中的操作，其它MPSK类信号以此类推。4.根据权利要求3所述的基于Rife-Quinn综合的MPSK信号载频估计方法，其特征在于，所述步骤S30包括以下步骤：S31、对步骤S20中得到的x'2(n)进行傅里叶变换，并取其幅度谱X'2(f)的正半频率部分，即：X'2(f)＝|FFT{x'2(n)}|,f＞0(4)其中|·|表示求模值运算，并寻找X'2(f)谱峰处对应的最大频率点对应的点数索引k0，即：k0＝max(k)(5)其中k表示X'2(f)每个谱峰处对应的离散频率点对应的离散点数索引，k的取值范围为1≤k≤N/2-1，max{·}表示求最大值运算；S32、利...

【专利技术属性】
技术研发人员：方世良，魏阳杰，刘清宇，王晓燕，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32