基于时频分析和瞬时频率曲线拟合的高阶PPS信号参数估计方法技术

本发明专利技术请求保护一种基于时频分析和瞬时频率曲线拟合的高阶PPS信号参数估计方法，属于信号处理技术领域。该方法先将接收到的高阶PPS信号进行采样处理，通过平滑伪Wigner‑Ville变换来抑制时频交叉项干扰，然后将得到的时频分布通过提取极大值的方法获取信号的瞬时频率，并利用最小二乘法进行瞬时频率曲线拟合，同时进行曲线拟合阶数的判定，通过多组试验可实现高阶PPS信号参数精确估计的目的。本方法能有效抑制高阶PPS信号的交叉项干扰，在低信噪比下估计出未知阶次的PPS信号相位参数，具有较好的参数估计性能，克服了传统方法受时频交叉项干扰的影响，对非平稳信号的后续处理以及特征分析具有重要意义。

High order PPS signal parameter estimation method based on time frequency analysis and instantaneous frequency curve fitting

The invention relates to a high order PPS signal parameter estimation method based on time-frequency analysis and instantaneous frequency curve fitting, which belongs to the technical field of signal processing. The high order PPS received signal is sampled, suppressed by smoothing pseudo Wigner Ville transform time-frequency cross term interference, and then get the time-frequency distribution by instantaneous frequency signal acquisition method of maximum extraction, and the instantaneous frequency curve fitting using the least squares method, and determine the curve the fitting order, the test parameters of the high order PPS signals to accurately estimate. The cross term interference method can effectively suppress high order PPS signals, an unknown phase PPS signal order parameter estimation in low signal-to-noise ratio and has good performance of parameter estimation, to overcome the traditional method of time-frequency cross interference effect, analysis on non-stationary signal and has important characteristics meaning.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及通信中一种非平稳信号处理，具体为基于时频分析和瞬时频率曲线拟合的多项式相位信(PPS)号参数估计问题。
技术介绍
多项式相位信号(PolynomialPhaseSignal,PPS)是一种典型的非平稳信号，具有频率时变、低截获概率等性质，在通信、雷达、生物医学以及地震信号处理等领域得到广泛应用。在各种通信和雷达系统中，目标的运动特征常反应于回波信号的相位函数，一次相位函数表征目标做匀速运动，二次相位函数表征目标做匀加速运动，三次相位函数表征目标是变加速运动状态。由于发射机与接收机的相对运动会造成发射信号相位随时间变化，接收与发射间距离的变化必然导致瞬时相位的连续变化，根据Weierstrass理论，闭区间上的连续函数可用多项式函数逼近，而接收信号近似为多项式相位信号，因此PPS信号参数估计方法研究具有重要的意义。高阶PPS信号参数估计一直是信号处理领域的重要内容，近年来许多国内外学者都对此进行了大量的研究和探索，基于时频分析方法的各类非平稳信号参数估计已成为该领域研究的热点。在实际的信息系统中，人们往往面对的是复杂多变的信号环境，PPS信号的瞬时频率随时间变化，传统的时域分析和频域分析方法不能分析具有局部变化特征的非平稳信号，而时频分析注重信号的是信号时变谱特征，描述信号随时间和频率的能量分布。对信号进行时频分析，能直观的反映信号的特征信息，但由于非平稳信号存在大量的交叉项使其时频分布产生严重的时频干扰，阻碍了进一步的信号处理。目前针对二阶PPS信号参数估计的研究比较成熟，已形成完善的信号处理方法和理论，然而对于高阶PPS信号参数估计的研究还处于发展阶段，且现有提出的方法存在一定的局限性，难以实现未知阶数PPS信号的参数估计。文献“王璞.多项式相位信号的时频分析和参数估计.电子学报，2005”提出了基于乘积性模糊函数的自适应时频分布，通过设计自适应核函数能够在增强时频聚集性的同时抑制交叉项，但其计算量较大且估计性能受设计核函数的影响。文献“金翔.基于分数阶傅里叶变换的多项式相位号参数估计.电子技术应用,2010”利用延时相关解调方法处理高阶PPS信号，通过分数阶傅里叶变换(FRFT)对信号进行参数估计，该方法虽然提高了FRFT方法的计算效率，但前提是在信号阶数已知的情况下进行的，估计性能受噪声影响较大。因此，本专利技术针对高阶PPS信号的参数估计问题，提出一种基于时频分析和瞬时频率曲线拟合的参数估计方法。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题，针对现有方法处理高阶PPS信号时存在的受交叉项干扰影响大、低信噪比下估计性能差和计算量大等缺陷，提出一种基于时频分析和瞬时频率曲线拟合的参数估计方法，解决高阶PPS信号参数估计的难题。该方法克服了传统PPS信号参数估计方法的不足，能够有效抑制高阶PPS信号的交叉项干扰，在低信噪比较精确估计出未知阶数PPS信号相位参数。本专利技术解决上述技术问题的技术方案是：一种基于时频分析和瞬时频率曲线拟合的PPS信号参数估计方法，其步骤在于，首先对接收到未知阶数PPS信号进行采样处理，然后将样本信号进行平滑伪Wigner-Ville时频变换处理，得到无交叉项干扰的时频分布，并采用提取极值的方法获取信号瞬时频率，最后利用最小二乘法进行瞬时频率曲线拟合，同时通过拟合阶数判定直到满足设定的判定条件，实现未知阶数PPS信号的参数估计。在实际的通信系统中，含噪的观测信号模型可表示为x(t)＝s(t)+n(t)。式中，n(t)为零均值、方差为σ2的高斯白噪声，s(t)为常幅度PPS信号，其数学表示为其中A为幅度，通常考虑A＝1，为信号相位，p为相位阶数，a0,a1,a2,…,ap为信号的相位系数。本专利技术运用时频分析和瞬时频率曲线拟合的参数估计方法对高阶PPS信号进行相位参数估计，分析信号存在交叉项干扰，并推导出信号参数无偏估计的克拉美罗界限(CRB)，通过对信号进行平滑伪Wigner-Ville变换来抑制其交叉项干扰，利用最小二乘曲线拟合方法实现对未知阶数PPS信号参数估计，该方法克服了传统方法在估计性能受时频交叉干扰、低信噪比下估计性能差等问题，同时适用于任意有限阶次的PPS信号参数估计。附图说明图1本专利技术PPS参数估计方法流程图图2本专利技术平滑伪Wigner-Ville变换原理框图图3本专利技术四阶PPS的Wigner-Ville分布图图4本专利技术含噪四阶PPS的平滑伪Wigner-Ville分布图图5本专利技术参数a0在不同信噪比下的均方根误差图6本专利技术参数a1在不同信噪比下的均方根误差图7本专利技术参数a2在不同信噪比下的均方根误差图8本专利技术参数a3在不同信噪比下的均方根误差图9本专利技术参数a4在不同信噪比下的均方根误差具体实施方式以下结合附图和具体实例，对本专利技术的实施作进一步的描述。图1所示为本专利技术高阶PPS信号参数估计估计方法流程图，具体步骤：首先对接收到的信号进行采样处理，采样频率为fs，并将采样后的信号进行平滑伪Wigner-Ville时频变换处理，得到无交叉项干扰的信号时频分布，然后将得到的时频分布通过提取极值的方法获取信号瞬时频率，设定拟合判定阶数P和阈值δ，利用最小二乘法拟合信号的瞬时频率，当瞬时频率曲线实际拟合的计算判据ξf小于阈值δ时，则可由拟合得到相位系数实现PPS的参数估计，当实际拟合的计算判据ξf大于阈值δ时，则进行拟合判定阶数P自增加1，即P＝P+1，重新进行最小二乘曲线拟合过程，直至判定条件满足为止。图2所示为平滑伪Wigner-Ville变换原理框图。先将观测信号经过采样处理，然后把样本信号作两部分处理，其中一部分进行-τ/2延迟并取共轭，另一部分τ/2延时处理后与一个冲激函数δ(s-n)相乘，将经过延时处理后的信号进行一次积分处理，将得到的信号和一个短时窗函数h(τ)通过乘法器处理，并进行第二次积分处理，最后输出的结果即为信号的平滑伪Wigner-Ville分布时频图。平滑伪Wigner-Ville变换是Wigner-Ville变换的平滑加窗处理，能够有效抑制高阶PPS信号的交叉项干扰，并保持信号的高时频聚集性。图3所示为本专利技术四阶PPS信号的Wigner-Ville分布图。由仿真图可以看出，信号的Wigner-Ville分布具有良好的时频聚集性，信号能量集中在瞬时频率的周围，但该四阶PPS信号存在交叉项干扰，其交叉项的存在影响了信号参数估计误差，因此不能直接对其进行信号分析。以下是对信号的Wigner-Ville分布存在交叉项干扰进行具体分析。根据时频分析理论，信号的Wigner-Ville变换定义为式中，f为信号的瞬时频率，符号“*”表示取共轭运算。考虑单分量高阶PPS信号，其离散数学模型可以表示为其中A为幅度，为信号相位，p为信号阶数(p＞2)，a0,a1,a2,…,ap为相位系数。由于瞬时频率是相位函数关于时间的一阶导数，则信号瞬时频率表示为结合(1)和式(2)可得，信号的Wigner-Ville变换进行如下展开将和分别按泰勒公式展开得到：令则式(4)可转化为由式(7)可知，当信号相位函数的二阶以上导数为零时，其Wigner-Ville分布是位于该信号瞬时频率上的一个冲激函数，如单分量线性调频信号无交叉项干扰，表现出最佳的时频聚集性。当信本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于时频分析和瞬时频率曲线拟合的PPS信号参数估计方法，其步骤在于，首先对接收到的PPS信号以采样频率为fs进行采样，并将采样后的信号进行平滑伪Wigner‑Ville时频变换处理，得到无交叉项干扰的信号时频分布(SPWVD)，将得到的时频分布通过提取极值的方法获取信号瞬时频率，最后利用最小二乘法进行瞬时频率曲线拟合得到多项式系数，进而实现PPS的参数估计。

【技术特征摘要】
1.一种基于时频分析和瞬时频率曲线拟合的PPS信号参数估计方法，其步骤在于，首先对接收到的PPS信号以采样频率为fs进行采样，并将采样后的信号进行平滑伪Wigner-Ville时频变换处理，得到无交叉项干扰的信号时频分布(SPWVD)，将得到的时频分布通过提取极值的方法获取信号瞬时频率，最后利用最小二乘法进行瞬时频率曲线拟合得到多项式系数，进而实现PPS的参数估计。2.根据权利要求1所述的估计方法，其特征在于，建立PPS信号的观测模型为x(t)＝s(t)+n(t)。式中，n(t)为零均值、方差为σ2的高斯白噪声，s(t)为PPS信号，其数学表示为其中A为信号幅度，为信号的相位，p为信号的阶数，a0,a1,a2,…,ap为信号的相位系数。由PPS信号的数学表示式可知,其相位函数为则该信号的瞬时频率可以表示为3.根据权利要求1所述的估计方法，其特征在于，信号的Wigner-Ville变换为Wigner-Ville分布对于非平稳信号具有良好的时频聚集性，但PPS信号存在高阶相位的交叉项干扰，平滑伪Wigner-Ville变换是Wigner-Ville变换的平滑加窗处理，...

【专利技术属性】
技术研发人员：张天骐，全盛荣，马宝泽，宋铁成，赵军桃，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：重庆;50