一种基于扫描精确估计载波频率的方法技术

本发明专利技术特别涉及一种基于扫描精确估计载波频率的方法，包括如下步骤：(A)对采样信号进行FFT，初步估计频率得到fc_est0，其中快速傅里叶变换分辨点代表的频率为Δf0；(B)以fc_est0为基点，在正负1个分辨点内进行逐点扫描并处理，每扫描一个频点执行步骤C‑E，所有频点扫描完毕后执行步骤F；(C)生成特定频点的正交本地载波；(D)将该正交本地载波与采样信号混频；(E)将混频后的信号进行累加；(F)判断所有扫描频点中功率最大的点，其所对应的频率即为该信号的准确频率。该方案能提高分辨率，不受限于原始信号是否为完整周期，估计精度改善更为明显；同时，这里只是针对很小一段区间进行采样点数增加，使得该算法简单、计算量小，且能够实时处理，易于工程应用。

【技术实现步骤摘要】
一种基于扫描精确估计载波频率的方法
本专利技术涉及信号处理
，特别涉及一种基于扫描精确估计载波频率的方法。
技术介绍
信号的载波频率估计是通信、雷达、声纳以及电子对抗等领域信号处理中的一个重要问题。基于参数模型的谱估计、最大熵谱估计等方法具有频率分辨率高的优点，但对于长序列，其预算量大，不利于实时处理。而基于离散傅里叶变换(简称DFT)的谱分析方法，可在快速傅里叶变换(简称FFT)基础上优化频率估计精度，是一种运算速度快、估计精度高的实时信号处理方法。但是，由于DFT的频率分辨率和频率估计精度取决于信号的测量时间长度，实际应用中不能任意延长信号的持续时间，是的DFT的频率分辨率和估计精度收到限制。现有技术中，基于DFT的频率估计算法中，均是在DFT后再优化估计精度，如在时域采用最小二乘线性回归的方法，利用瞬时相位估计信号频率，或利用傅里叶幅度谱插值来提高频率估计精度等优化方法，当原始信号不是完整周期时，DFT后的信号幅度相对最高点不对称，仅用插值法对精度的改善十分有限。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种计算量小、精度高、能实时处理易于工程实现的基于扫描精确估计载波频率的方法。为实现以上目的，本专利技术采用的技术方案为：包括如下步骤：(A)对采样信号进行快速傅里叶变换，初步估计频率得到估计值fc_est0，其中快速傅里叶变换分辨点代表的频率为Δf0；(B)以fc_est0为基点，在其周围正负1个分辨点内按照预设的扫描步进进行逐点扫描并处理，每扫描一个频点，执行步骤C-E，所有频点扫描完毕后执行步骤F；(C)生成特定频点的正交本地载波；(D)将该正交本地载波与采样信号混频；(E)将混频后的信号进行累加，累加后保留下来的直流分量即可表示该频点功率大小；(F)判断所有扫描频点中功率最大的点，其所对应的频率即为该信号的准确频率。与现有技术相比，本专利技术存在以下技术效果：通过快速傅里叶变换获取粗估值，并在粗估值一定的范围内增加离散傅里叶变换的点数，从而提高分辨率，不受限于原始信号是否为完整周期，估计精度改善更为明显；同时，这里只是针对很小一段区间进行采样点数增加，使得该算法简单、计算量小，且能够实时处理，易于工程应用。附图说明图1是累加器模拟图；图2是累加器频率响应特性；图3是CW信号FFT法频率粗估图；图4是CW信号DFT法频率扫描图；图5是BPSK信号平方谱FFT法频率粗估图；图6是BPSK信号平方谱DFT法频率扫描图。具体实施方式下面结合图1至图6，对本专利技术做进一步详细叙述。一种基于扫描精确估计载波频率的方法，包括如下步骤：(A)对采样信号进行快速傅里叶变换，初步估计频率得到估计值fc_est0，其中快速傅里叶变换分辨点代表的频率为Δf0；(B)以fc_est0为基点，在其周围正负1个分辨点内按照预设的扫描步进进行逐点扫描并处理，每扫描一个频点，执行步骤C-E，所有频点扫描完毕后执行步骤F；(C)生成特定频点的正交本地载波；(D)将该正交本地载波与采样信号混频；(E)将混频后的信号进行累加，累加后保留下来的直流分量即可表示该频点功率大小；(F)判断所有扫描频点中功率最大的点，其所对应的频率即为该信号的准确频率。本专利技术通过快速傅里叶变换获取粗估值，并在粗估值一定的范围内增加离散傅里叶变换的点数，从而提高分辨率，不受限于原始信号是否为完整周期，估计精度改善更为明显；同时，这里只是针对很小一段区间进行采样点数增加，使得该算法简单、计算量小，且能够实时处理，易于工程应用。本专利技术使用范围极广，它适用于：(1)适用于单频信号载频估计，直接执行步骤A～F即可；(2)适用于模拟、数字调制信号载频估计，但需对信号进行处理，如估计BPSK信号的载频，将信号时域平方利用其平方谱载频对应的谱线进行估计，简单的说就是：若采样信号为BPSK信号，先将采样信号求平方，然后执行步骤A～F，并将步骤F得到的结果除以2得到该信号的精确估计频率；(3)适用于数字调制信号符号率估计，但需对信号进行处理，如估计QAM符号率，对其进行小波变换后的信号频谱出现码率线，对此谱线进行估计及得到QAM信号的符号率；(4)适用于其他频率估计应用需求。理论上来说，只要能将带估计的参数转换为频率中一根谱线的形式，即可利用上述步骤对参数进行精确估计。这里以单频信号为例对本专利技术进行详细阐述。所述的步骤A中，记采样信号的表达式为：式中，A为信号幅度，fc为信号实际截频，fs为采样率，n为采样时刻n＝{0，1，...，(N-1)}，N为信号采样点数，φ为信号初始相位，nos(n)为噪声。对s(n)进行快速傅里叶变换后得到S(k)：其中，k＝{0，1，...，(N-1)}，此时快速傅里叶变换分辨点代表的频率Δf0＝fs/N。由傅里叶变换原理可以得知，单频信号的频谱S(k)在载频处(即f＝fc)有一根谱线，且幅度最大，所以，只要搜索S(k)的幅度的峰值就可以得到其频率初步估计值。因此，本实施例中优选地，频率初步估计值fc_est0按如下公式计算得到：式中，abs[S(k)]指取S(k)的绝对值，argmaxk{abs[S(k)]}指搜索能使abs[S(k)]达到最大的k值。我们知道N点的FFT分辨力为Δf0＝fs/N，受限于点数N，实际应用中，信号的采样点数N一般不能无限获取，利用DFT法估计时，分辨力也同样受限于点数N，若将信号s(n)后续补较多的0，可提高点数N，大大提升DFT法的分辨力，又由于0在混频累加时不会增加计算量，满足算法运算量的要求。故本实施例中优选地：所述的步骤B中，扫描步进、扫描起始频率以及扫描终止频率可按如下步骤确定：(B1)增加信号采样点数N′＝a·N，将采样信号s(n)后续用0补齐构成信号s′(n)；(B2)按如下公式计算得到扫描步进Δf1、扫描起始频率f1以及扫描终止频率f2：式中，round(x)表示对x四舍五入取整。这里之所有采用取整算法，是防止在提高采样数N′时，任意取得a有可能导致fc_est0±Δf0不属于扫描频点，因此这里重新定义扫描起始频率f1以及扫描终止频率f2，保证算法运行的更为可靠。优选地，所述的步骤B1中，a的取值范围为10≤a≤1000，信号s′(n)公式如下：这里a的数值越大，最后计算出的结果越精确，但同样地，算法所耗费的时间也将增加，所以，需要用户根据实际使用需求来选择一个合适的a值。比如本案后面的例子中，就将a取100，保证精度的同时，计算量小。随着科技的发展，数据处理能力越来越强，信号采样点数N以及这里的a值，都可以往大了取，这里只是给出一个较为优选的范围。具体地，所述的步骤C中，所选取的正交本地载波的幅度为1、初始相位为0、无噪声，特定频点的正交本地载波表达式如下：上式中，fx为进行扫描的频点，其实部real(n)与虚部imag(n)是正交的，数字混频中一般采用此种方式混频。所述的步骤D中，正交本地载波与采样信号混频后为：由于N≤n＜a·N时，s′(n)＝0，所以上式也可以写成：混频后的信号进行累加得到该频点功率大小S′(k)，其表达式如下：下面我们通过对实部、虚部进行计算来详细解释，为何混频、累加后通过频点功率大小就能判断估计载波频率。由于fx在fc附近变化，故为混频后信号的低频成分。对上述结果分别进本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于扫描精确估计载波频率的方法，包括如下步骤：(A)对采样信号进行快速傅里叶变换，初步估计频率得到估计值fc_est0，其中快速傅里叶变换分辨点代表的频率为Δf0；(B)以fc_est0为基点，在其周围正负1个分辨点内按照预设的扫描步进进行逐点扫描并处理，每扫描一个频点，执行步骤C‑E，所有频点扫描完毕后执行步骤F；(C)生成特定频点的正交本地载波；(D)将该正交本地载波与采样信号混频；(E)将混频后的信号进行累加，累加后保留下来的直流分量即可表示该频点功率大小；(F)判断所有扫描频点中功率最大的点，其所对应的频率即为该信号的准确频率。

【技术特征摘要】
1.一种基于扫描精确估计载波频率的方法，包括如下步骤：(A)对采样信号进行快速傅里叶变换，初步估计频率得到估计值fc_est0，其中快速傅里叶变换分辨点代表的频率为Δf0；(B)以fc_est0为基点，在其周围正负1个分辨点内按照预设的扫描步进进行逐点扫描并处理，每扫描一个频点，执行步骤C-E，所有频点扫描完毕后执行步骤F；(C)生成特定频点的正交本地载波；(D)将该正交本地载波与采样信号混频；(E)将混频后的信号进行累加，累加后保留下来的直流分量即可表示该频点功率大小；(F)判断所有扫描频点中功率最大的点，其所对应的频率即为该信号的准确频率。2.如权利要求1所述的基于扫描精确估计载波频率的方法，其特征在于：所述的步骤A中，采样信号的表达式为：式中，fs为采样率，N为信号采样点数，快速傅里叶变换分辨点代表的频率Δf0＝fs/N；s(n)进行快速傅里叶变换后得到S(k)，频率初步估计值fc_est0按如下公式计算得到：式中，abs[S(k)]指取S(k)的绝对值，argmaxk{abs[S(k)]}指搜索能使abs[S(k)]达到最大的k值。3.如权利要求2所述的基于扫描精确估计载波频率的方法，其特征在于：所述的步骤B中，扫描步进、扫描起始频率以及扫描终止频率可按如下步骤确定：(B1)增加信号采样点数N′＝a·N，将采样信号s(n)后续用0补齐构成信号s′(n)；(B2)按如下公式计算得到扫描步进Δf1、扫描起始频率f1以及扫描终止频率f2：

【专利技术属性】
技术研发人员：庞豪，杨金金，何晨昱，
申请(专利权)人：成都玖锦科技有限公司，
类型：发明
国别省市：四川,51