一种改进的相位差频率估计方法技术

本发明专利技术公开了一种改进的相位差频率估计方法，包括以下步骤：输入2N‑1个样本,对样本作无窗全相位快速傅立叶变换得频谱Y(k)，样本中选N个点作无窗快速傅立叶变换得频谱X(k)；对X(k)和Y(k)搜索，得谱峰位置，获得谱峰相位

An improved phase difference frequency estimation method

The invention discloses an improved phase difference frequency estimation method, which comprises the following steps: input 2N 1 samples, the samples without window all phase fast Fu Liye transform spectrum (k), Y had no window fast Fu Liye transform spectrum X to choose N points in the sample of X ((k); K) and Y (k) to search, peak position, peak gain phase

【技术实现步骤摘要】
一种改进的相位差频率估计方法
本专利技术涉及数字信号处理领域，更具体的说，是涉及一种改进的相位差频率估计方法。
技术介绍
频率估计是数字信号处理的重要内容，特别是对含有高斯白噪声的信号进行频率估计一直是信号处理的经典课题，频率估计不仅在理论上，在实际应用中也有着重要的研究价值(如多普勒效应检测[1]、阵列波达方向估计[2]、振动分析中的转速测量[3]等都可转化为频率估计问题)。由于FFT(FastFourierTransform,快速傅立叶变换)具有高运算效率的优势，因而基于FFT的频率估计一直是学术界长久不衰的研究课题。目前，频率估计主要有内插法和相位差估计法。为消除FFT的栅栏效应，人们常常通过对FFT峰值谱附近的谱线做内插[4-7]来提高估计精度，然而文献[5]指出，FFT内插估计器通常是有偏的。为消除该固有偏差，通常需要采取频移、迭代等措施，对FFT谱峰附近的谱值做进一步修正和细化，如文献[8]提出修正Rife算法，用该算法得到的初始值做一次牛顿迭代后即可得到高精度频率估计结果，其频率估计方差不但不随信号本身频率波动，而且还接近克拉美-罗限(Cramer-RaolowerBound,CRB)[9]；Tsui在文献[10]指出，获得FFT谱峰位置后，若借助比值内插措施进一步算出距离谱峰左、右各0.5个频率分辨率位置的DTFT(DiscreteTimeFourierTransform)谱值，就可估算出更精确的谱峰位置，并将以上过程迭代多次，则不仅可消除固有偏差，而且在任意频偏情况下其频率估计方差可完全到达克拉美-罗限。与内插法不同，相位差估计法[11-14]仅需单根峰值谱线上的相位信息，即可得到频偏估计结果。且相位差估计器无需引入频移、修正措施，其频率估计就是无偏的[13]。在对相位参数敏感的场合，如电力系统谐波分析[15]、光学工程[16]等，相位差法得到了广泛应用。全相位FFT(all-phaseFFT,apFFT)因兼备优良的抑制谱泄漏性能和高精度测相性能(即“相位不变性”[17])，故非常适合做频率估计。文献[11]从apFFT与FFT的相位差中提取了精确的频率信息，提出一种相位差频率估计法(为突出其特征，称之为经典apFFT/FFT相位差法)，该方法的价值已在低频实信号频率估计[12]、超声波时间测量[18]、水声波束生成[19]等领域得到证实。但是，经典apFFT/FFT相位差法在估计精度上仍有提升的空间，其RMSE曲线距离克拉美-罗限仍具有一定的距离；此外，为了提升实际工程应用的价值，该估计器也应该具备对多频信号频率估计的适应性。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种改进的相位差频率估计方法，引入了频移补偿措施对原估计器做根本改进，提出了相位差整周模糊的解决措施，提高了其实用性。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的。本专利技术的一种改进的相位差频率估计方法，包括以下步骤：(1)输入M＝2N-1个样本x(-N+1)～x(N-1),N为2的正整数次幂，对样本x(-N+1)～x(N-1)作无窗全相位快速傅立叶变换得到频谱Y(k)，同时从样本x(-N+1)～x(N-1)中选取N个点x(0)～x(N-1)作无窗快速傅立叶变换得到频谱X(k)；(2)分别对频谱X(k)和频谱Y(k)进行搜索，得到其对应的谱峰位置k*，进而获得谱峰对应的相位和求得两者的差值进行相位调整得到再除以τ＝(N-1)/2得到频偏估计(3)若(ζ为给定小阈值)，令同时构造序列-N+1≤n≤N-1，并用序列s(n)对样本x(-N+1)～x(N-1)进行时域调制，将调制后的样本重新执行步骤(1)和步骤(2)，重新获得频偏估计再与相加得到校正后的频偏估计若则频偏估计(4)将步骤(3)得到的频偏估计代入公式求出频率估计所述步骤(2)中对频谱X(k)和频谱Y(k)搜索得到m个谱峰位置k*时(m＝2,3……)，重复步骤(2)至步骤(4)算出各个谱峰位置对应的频率估计(i＝0,1,2....)。所述步骤(2)中相位调整后得到为与现有技术相比，本专利技术的技术方案所带来的有益效果是：(1)本专利技术仅利用单根谱线信息便可以精确地估计频率，通过改变加窗方式和引入频移补偿两种措施，提升了估计器精度，使之在单频情况下RMSE逼近克拉美-罗界，与经典apFFT/FFT相位差频率估计器相比，其性能有了较大的提升，更能满足实际工程的需要；(2)本专利技术仅需要做一次迭代便可以实现频率的精确估计，计算复杂度低，省去了每次迭代需要做FFT的大量计算，更加节省大量的计算成本，符合工程需要；(3)本专利技术通过相位调整，解决了观测相位差可能存在的整周模糊问题，增强了实用性；(4)本专利技术不仅适用单频信号频率估计，还实现了估计器对多频信号频率估计的适应性，估计单频信号以及多频率复合信号时都获得了很高的精度，对于单频信号，RMSE曲线已经逼近克拉美-罗界，对于多频复合信号，在低信噪比区域，频率估计精度高，具有很强的抗干扰能力，因此具有广泛的应用前景。附图说明图1是本专利技术的流程示意图；图2是本专利技术的硬件实施图；图3是全相位FFT谱分析流程示意图(N＝4)；图4是双窗apFFT和加窗FFT的振幅谱；图5是无窗apFFT和无窗FFT的振幅；图6是两个单频信号频偏估计的RMSE曲线；图7多频复合信号频偏估计的RMSE曲线；具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚,下面结合附图对本专利技术的实施方式作进一步详细描述。如图1所示，本专利技术的本专利技术的一种改进的相位差频率估计方法，包括以下步骤：(1)输入M＝2N-1个样本x(-N+1)～x(N-1),其中N为2的正整数次幂，对样本x(-N+1)～x(N-1)作无窗全相位快速傅立叶变换得到频谱Y(k)，同时从样本x(-N+1)～x(N-1)中选取N个点x(0)～x(N-1)作无窗快速傅立叶变换得到频谱X(k)；(2)分别对频谱X(k)和频谱Y(k)进行搜索，得到其对应的谱峰位置k*，进而获得谱峰对应的相位和求得两者的差值并进行相位调整得到再除以τ＝(N-1)/2得到频偏估计(3)对步骤(2)中得到的频偏估计进行大小判断：若(ζ为给定小阈值)，令保存第一次相位差频偏估计的结果，同时构造序列-N+1≤n≤N-1，并用序列s(n)对样本x(-N+1)～x(N-1)进行时域调制，将调制后的样本重新执行步骤(1)和步骤(2)，获得新的频偏估计再与相加得到校正后的频偏估计即若则直接将第一次相位差频率估计得到的频偏估计作为最终的频偏估计即目的是将大频偏自动调小，以此获得更高的频率估计精度。当频偏检测值为较大的正值时，则时域调制操作使得频谱朝负方向搬移，恰好搬到k*Δf附近；当为较大的负值时，则时域调制操作使得频谱朝正方向搬移，也恰好搬到k*Δf附近——无论哪种情况，频移后的信号频偏都趋于0，使得无窗apFFT和无窗FFT谱峰都获得大幅值，抵御噪声干扰的能力比频移前都会提升，再经频偏补偿后，可获得更高精度。(4)将提前设定的N、谱峰位置k*以及步骤(3)得到的最终的频偏估计代入公式求出归一化频率估计上述步骤(1)至步骤(4)可以实现对某一单频信号的频率估计，需指出，本方法同样适合于多频信号的频率估计，即当所述步骤(2)中对频谱X(本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种改进的相位差频率估计方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)输入M＝2N‑1个样本x(‑N+1)～x(N‑1),N为2的正整数次幂，对样本x(‑N+1)～x(N‑1)作无窗全相位快速傅立叶变换得到频谱Y(k)，同时从样本x(‑N+1)～x(N‑1)中选取N个点x(0)～x(N‑1)作无窗快速傅立叶变换得到频谱X(k)；(2)分别对频谱X(k)和频谱Y(k)进行搜索，得到其对应的谱峰位置k

【技术特征摘要】
1.一种改进的相位差频率估计方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)输入M＝2N-1个样本x(-N+1)～x(N-1),N为2的正整数次幂，对样本x(-N+1)～x(N-1)作无窗全相位快速傅立叶变换得到频谱Y(k)，同时从样本x(-N+1)～x(N-1)中选取N个点x(0)～x(N-1)作无窗快速傅立叶变换得到频谱X(k)；(2)分别对频谱X(k)和频谱Y(k)进行搜索，得到其对应的谱峰位置k*，进而获得谱峰对应的相位和求得两者的差值进行相位调整得到再除以τ＝(N-1)/2得到频偏估计(3)若(ζ为给定小阈值)，令同时构造序列-N+1≤n≤N-1，...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄翔东，王越冬，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12