一种时间交错的多谐波信号欠采样方法技术

一种时间交错的多谐波信号欠采样方法，涉及通信信号处理领域。本发明专利技术是为了解决现有对多谐波信号缺少一个稳定的、样本数少、易于实现的欠采样方案的问题。多谐波信号经过分流后，分别进入两个时间交错的并行采样通道，分别为主采样通道和时间交错采样通道，主采样通道和时间交错采样通道均以采样率fs对多谐波信号进行均匀采样，分别得到主采样通道的采样值和时间交错采样通道的采样值，fs≤fmax，fmax为信号的最大频率；从主采样通道的采样值中估计出频率参数最小解和幅值参数；根据时间交错采样通道的采样值和频率参数最小解利用参数联合估计算法得到频率参数估计值，从而以所述的频率参数估计值实现对多谐波信号的采样。它用于精确估计信号的幅值和频率参数。

A time interleaved multi harmonic signal undersampling method

A time interleaved multi harmonic signal undersampling method relates to the field of communication signal processing. The invention aims at solving the problem of lacking a stable, less sample and easy to implement undersampling scheme for multi harmonic signals. The multi harmonic signals are divided into two time staggered parallel sampling channels, respectively, the main sampling channel and the time staggered sampling channel respectively. The main sampling channel and the time staggered sampling channel are uniformly sampled at the sampling rate FS for the multi harmonic signals, and the sampling value and time staggered sampling of the main sampling channel are respectively sampled. The sampling value of the channel, FS < Fmax, and Fmax are the maximum frequency of the signal; the minimum and amplitude parameters of the frequency parameter are estimated from the sampling value of the main sampling channel; the frequency parameter estimation is obtained by the joint estimation algorithm based on the sampling value and the frequency parameter minimum of the time staggered sampling channel, thus the frequency parameter is obtained by the frequency parameter estimation algorithm. The number of estimated values can be used to sample the multi harmonic signals. It is used to accurately estimate amplitude and frequency parameters of signals.

【技术实现步骤摘要】
一种时间交错的多谐波信号欠采样方法
本专利技术涉及一种时间交错的多谐波信号欠采样方法。属于通信信号处理领域。
技术介绍
多谐波信号是在音频、通讯和电力系统中应用十分广泛的信号。根据奈奎斯特(Nyquist)采样定理可知，为了从采样样本中完全重建模拟信号，采样率必须大于或等于信号带宽的两倍。随着多谐波信号带宽的逐步增加，采样设备的压力也随之增大。因而，Nyqiust采样定理逐渐成为多谐波信号采样系统设计的瓶颈，制约着信号处理技术的发展。多谐波信号是一种可以由有限数量的参数来表征的信号，即频率和幅值参数。对于一个由K个频率成份组成的多谐波信号，可以表示为：其中，fk是信号的第k个频率成份，是对应的信号复数幅值参数，T是信号的持续时间。假设信号的最大频率为fmax，即由于信号y(t)可以由一组频率和幅值参数唯一确定，该信号在时间[0,T)内的自由度为2K。如果以fs的采样率对信号y(t)进行均匀采样，那么采集到的样本可以表示为：当采样率满足Nyquist定理，即当fs≥fmax时，参数可以利用谱估计方法唯一确定。然而，当采样率不满足Nyquist定理，即当fs≤fmax时，将会导致频率混叠问题。根据三角函数的周期性，对于每一个估计的频率参数我们能够得到一组可能解：其中，是满足公式二的最小可能解。为了解决多谐波信号欠Nyquist采样导致的频率混叠问题，国外的Zoltowski等人提出了利用延时采样来估计频率的方法，然而在某些条件下，估计的频率并不完全准确。后来Venkataramani、bresler等人提出了多频点信号的多速率异步欠采样方案，但是这种方案由于信道数量的限制通常对频率分量的数量也有一定的限制。基于压缩感知理论的欠采样方法可以实现对信号的频率估计，不过该方法中的随机采样很难在硬件中实现，而且估计的精度取决于频率网格的密度，通常为了考虑计算的复杂度，网格密度都不高。国内提出利用三个采样通道互质采样的方法来解决频率模糊，但是该方法需要大量的样本。迄今为止，针对多谐波信号还没有一个稳定的、样本数少、易于实现的欠采样方案，因此设计一种简单有效的欠采样结构十分必要。
技术实现思路
本专利技术是为了解决现有对多谐波信号缺少一个稳定的、样本数少、易于实现的欠采样方案的问题。现提供一种时间交错的多谐波信号欠采样方法。一种时间交错的多谐波信号欠采样方法，所述方法包括以下步骤：步骤一、多谐波信号y(t)经过分流后，分别进入两个时间交错的并行采样通道，分别为主采样通道和时间交错采样通道，主采样通道和时间交错采样通道均以采样率fs对多谐波信号进行均匀采样，分别得到主采样通道的采样值和时间交错采样通道的采样值，其中，fs≤fmax，fmax为信号的最大频率；步骤二、从主采样通道的采样值中估计出频率参数最小解和幅值参数；步骤三、根据时间交错采样通道的采样值和所述的频率参数最小解利用参数联合估计算法得到频率参数估计值，从而以所述的频率参数估计值实现对多谐波信号的采样。本专利技术的有益效果为：该系统由两个时间交错的并行采样通道组成，这两个通道的采样率相同，但是采样时间存在交错。首先，多谐波信号y(t)经过分流后，分别进入两个并行的采样通道；然后，在主采样通道中，通过获取连续的采样值，并利用Prony方法可以估计出幅值参数和所有可能的频率参数；最后，利用时间交错采样通道获取的采样值来解决频率混叠问题，以估计出准确的频率参数。本申请提出的一种时间交错采样系统，可以实现对多谐波信号的欠采样，最低的等效采样率仅为并且可以对信号参数进行准确估计。当信号频率很高时，本申请提出的采样方法可以以远小于奈奎斯特采样频率的速率完成采样和参数估计，可以极大的降低采样设备的压力。并且给出了噪声存在条件下，利用卡佐迭代算法提高参数估计鲁棒性的方法。本申请与现有的采样方法相比，需要的样本数少、采样率快，并且能够精确的估计信号的幅值和频率参数。附图说明图1为具体实施方式所述的原理示意图；图2为不同信噪比下各方法的估计效果对比图。具体实施方式具体实施方式一：参照图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种时间交错的多谐波信号欠采样方法，所述方法包括以下步骤：步骤一、多谐波信号y(t)经过分流后，分别进入两个时间交错的并行采样通道，分别为主采样通道和时间交错采样通道，主采样通道和时间交错采样通道均以采样率fs对多谐波信号进行均匀采样，分别得到主采样通道的采样值和时间交错采样通道的采样值，其中，fs≤fmax，fmax为信号的最大频率；步骤二、从主采样通道的采样值中估计出频率参数最小解和幅值参数；步骤三、根据时间交错采样通道的采样值和所述的频率参数最小解利用参数联合估计算法得到频率参数估计值，从而以所述的频率参数估计值实现对多谐波信号的采样。具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种时间交错的多谐波信号欠采样方法作进一步说明，本实施方式中，多谐波信号y(t)由K个频率成份组成，表示为：其中，fk是信号的第k个频率成份，ck(ck≠0,ck∈C)是对应的信号复数幅值参数，T是信号的持续时间，本实施方式中，公式一中的j为虚数单位，C为常数。具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种时间交错的多谐波信号欠采样方法作进一步说明，本实施方式中，主采样通道的采样值，表示为：式中，n和N均为正整数，时间交错采样通道的采样值，表示为：式中，n′和N′均为正整数，Te为时间交错采样通道和主采样通道相比错开的采样时间，0&lt;|Te|≤1/fmax，Ts为采样间隔，具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式三所述的一种时间交错的多谐波信号欠采样方法作进一步说明，本实施方式中，步骤二中，从主采样通道的采样值中估计出频率参数最小解和幅值参数的具体过程为：利用Prony算法从N≥2K个连续的采样值y[n],n＝0,1,…,N-1中，估计出2K个参数其中，为频率参数最小解，为幅值参数的估计值，根据三角函数的周期性，对于每一个估计的频率参数都能够得到一组频率参数fk的估计值式中，mk为系数。具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式四所述的一种时间交错的多谐波信号欠采样方法作进一步说明，本实施方式中，步骤三中，根据时间交错采样通道的采样值、所述的频率参数最小解和参数联合估计算法得到频率参数估计值的具体过程为：将步骤二估计的频率参数最小解和幅值参数估计值代入到公式三中的时间交错采样通道的采样值ye[n′]中，得到：式中，是已知的值，而bk是系数，利用时间交错采样通道获取的N′&gt;K个连续的采样值ye[n′],n′＝0,1,…,N′-1，采用参数联合估计算法能够确认频率参数fk的估计值具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式五所述的一种时间交错的多谐波信号欠采样方法作进一步说明，本实施方式中，系数bk的获得过程为：步骤1、构造时间交错采样样本向量：时间交错采样通道获取的N′&gt;K个连续的采样值ye[n′],n′＝0,1,…,N′-1组成大小为N′×1的列向量：ye＝[ye[0],ye[1],…ye[N′-1]]T公式六，步骤2、构造范德蒙德矩阵：当没有镜像频率混叠，即时，如果N′≥K，范德蒙德矩阵V是满秩的；步骤3、构造对角阵：由于ck本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种时间交错的多谐波信号欠采样方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤一、多谐波信号y(t)经过分流后，分别进入两个时间交错的并行采样通道，分别为主采样通道和时间交错采样通道，主采样通道和时间交错采样通道均以采样率fs对多谐波信号进行均匀采样，分别得到主采样通道的采样值和时间交错采样通道的采样值，其中，fs≤fmax，fmax为信号的最大频率；步骤二、从主采样通道的采样值中估计出频率参数最小解和幅值参数；步骤三、根据时间交错采样通道的采样值和所述的频率参数最小解利用参数联合估计算法得到频率参数估计值，从而以所述的频率参数估计值实现对多谐波信号的采样。

【技术特征摘要】
1.一种时间交错的多谐波信号欠采样方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤一、多谐波信号y(t)经过分流后，分别进入两个时间交错的并行采样通道，分别为主采样通道和时间交错采样通道，主采样通道和时间交错采样通道均以采样率fs对多谐波信号进行均匀采样，分别得到主采样通道的采样值和时间交错采样通道的采样值，其中，fs≤fmax，fmax为信号的最大频率；步骤二、从主采样通道的采样值中估计出频率参数最小解和幅值参数；步骤三、根据时间交错采样通道的采样值和所述的频率参数最小解利用参数联合估计算法得到频率参数估计值，从而以所述的频率参数估计值实现对多谐波信号的采样。2.根据权利要求1所述一种时间交错的多谐波信号欠采样方法，其特征在于，多谐波信号y(t)由K个频率成份组成，表示为：其中，fk是信号的第k个频率成份，ck(ck≠0,ck∈C)是对应的信号复数幅值参数，T是信号的持续时间，3.根据权利要求1所述一种时间交错的多谐波信号欠采样方法，其特征在于，主采样通道的采样值，表示为：式中，n和N均为正整数，时间交错采样通道的采样值，表示为：式中，n′和N′均为正整数，Te为时间交错采样通道和主采样通道相比错开的采样时间，0&lt;|Te|≤1/fmax，Ts为采样间隔，4.根据权利要求3所述一种时间交错的多谐波信号欠采样方法，其特征在于，步骤二中，从主采样通道的采样值中估计出频率参数最小解和幅值参数的具体过程为：利用Prony算法从N≥2K个连续的采样值y[n],n＝0,1,…,N-1中，估计出2K个参数其中，为频率参数最小解，为幅值参数的估计值，根据三角函数的周期性，对于每一个估计的频率参数都能够得到一组频率参数fk的估计值式中，mk为系数。5.根据权利要求4所述一种时间交错的多谐波信号欠采样方法，其特征在于，步骤三中，根据时间交错采样通道的采样值、所述的频率参数最小解和参数联合估计算法得到频率参数估计值的具...

【专利技术属性】
技术研发人员：付宁，黄国兴，曹杰，乔立岩，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23