[發(fā)明專利]一種基于低階內(nèi)插濾波器的自適應(yīng)時(shí)延估計(jì)方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201611063388.5
• 申請(qǐng)日: 2016-11-24
• 公開（公告）號(hào): CN106603036A
• 公開（公告）日: 2017-04-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 吳嗣亮;黃惠明;周揚(yáng);鄭哲;單長勝;丁華;王磊;張暉
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京理工大學(xué);中國人民解放軍63999部隊(duì)
• 主分類號(hào): H03H17/06
• 分類號(hào): H03H17/06
• 代理公司: 北京理工大學(xué)專利中心11120
• 代理人: 高燕燕,仇蕾安

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于信號(hào)時(shí)延估計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于低階內(nèi)插濾波器的自適應(yīng)時(shí)延估計(jì)方法。

背景技術(shù)

時(shí)延估計(jì)作為現(xiàn)代信號(hào)處理理論的重要組成部分，一直是數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域中比較活躍的研究方向，廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、聲吶、導(dǎo)航、遙測(cè)、全球定位、地震學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等技術(shù)領(lǐng)域。時(shí)延估計(jì)方法種類繁多，主要包括相關(guān)法、最小均方(LMS-Least Mean Square)法、極大似然法、特征結(jié)構(gòu)法、高階累積量法等。以上方法中，基于LMS的自適應(yīng)時(shí)延估計(jì)方法由于無需已知噪聲與信號(hào)的先驗(yàn)信息，具有魯棒性好、計(jì)算量小、可動(dòng)態(tài)跟蹤延時(shí)變化等優(yōu)點(diǎn)，一經(jīng)問世就受到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。

在LMS自適應(yīng)時(shí)延估計(jì)方法中，ETDE(Explicit Time Delay Estimator)方法被認(rèn)為是最經(jīng)典、應(yīng)用最為廣泛的方法之一。ETDE的核心思想是將延時(shí)建模為一個(gè)Sinc型的小數(shù)延時(shí)FIR濾波器，從而可在自適應(yīng)算法中直接對(duì)延時(shí)進(jìn)行更新來獲得非整數(shù)倍采樣周期的延時(shí)估計(jì)值。相比于傳統(tǒng)的LMSTDE(Least Mean Square Time Delay Estimator)，ETDE可忽略LMSTDE中對(duì)濾波器權(quán)系數(shù)的內(nèi)插操作，具有估計(jì)精度高、計(jì)算量小和實(shí)時(shí)性好等突出優(yōu)點(diǎn)。然而，ETDE在有限濾波器長度下已被證明是一種有偏估計(jì)，時(shí)延估計(jì)偏差會(huì)隨著信噪比和濾波器階數(shù)的降低而增大。通過在ETDE中增加一個(gè)自適應(yīng)的增益控制，ETDGE(Explicit Time Delay and Gain Estimator)可在更寬的濾波器長度下實(shí)現(xiàn)延時(shí)的無偏估計(jì)。盡管這樣，ETDE和ETDGE算法也只能很好地適應(yīng)于全頻帶噪聲類信號(hào)間的時(shí)延估計(jì)。對(duì)于帶限信號(hào)的時(shí)延估計(jì)而言，由于Sinc型小數(shù)延時(shí)濾波器具有相當(dāng)大的通帶紋波，因此ETDE和ETDGE算法的時(shí)延估計(jì)精度將嚴(yán)重惡化。考慮到基于小數(shù)延時(shí)濾波器的LMS自適應(yīng)時(shí)延估計(jì)方法的估計(jì)精度主要取決于小數(shù)延時(shí)濾波器的通帶特性，為此國內(nèi)外學(xué)者通常采用Lagrange內(nèi)插代替Sinc內(nèi)插來進(jìn)行帶限信號(hào)間的時(shí)延估計(jì)，如基于Lagrange內(nèi)插的ETDE、基于AMDF(Average Magnitude Difference Function)的ETDE等。相比而言，Lagrange型小數(shù)延時(shí)濾波器在低頻處具有最大平坦頻率特性，當(dāng)濾波器階數(shù)相同且只需進(jìn)行低通逼近時(shí)，其延時(shí)精度遠(yuǎn)優(yōu)于Sinc型小數(shù)延時(shí)濾波器。若帶限信號(hào)的中心頻率已知，通常可將小數(shù)延時(shí)濾波器調(diào)制到信號(hào)中心頻率處，以在較低濾波器階數(shù)下、圍繞著信號(hào)中心頻率的有限帶寬內(nèi)提供更高的延時(shí)精度。目前，基于調(diào)制小數(shù)延時(shí)濾波器的LMS時(shí)延估計(jì)方法主要包括METDE(Modulated ETDE)、MLETDE(Modulated Lagrange ETDE)和MMLETDE(Mixed Modulated Lagrange ETDE)等。

然而，上述方法大多基于單一的小數(shù)延時(shí)濾波器(或內(nèi)插器)，只能較好的適用于小范圍內(nèi)變化的時(shí)變延時(shí)估計(jì)。對(duì)于大范圍的時(shí)變延時(shí)估計(jì)而言，其不可避免地存在如下兩方面問題：一方面，現(xiàn)有方法的時(shí)延估計(jì)和跟蹤范圍直接取決于小數(shù)延時(shí)濾波器的階數(shù)，為適應(yīng)大范圍的時(shí)變延時(shí)估計(jì)，其必須引入高階的小數(shù)延時(shí)濾波器，這無疑大大增加了運(yùn)算的復(fù)雜度；另一方面，小數(shù)延時(shí)濾波器的最優(yōu)化延時(shí)區(qū)間僅位于濾波器脈沖響應(yīng)的中心處，雖然通過增加濾波器階數(shù)可增大時(shí)延估計(jì)和跟蹤范圍，但當(dāng)延時(shí)變化超過此最優(yōu)化區(qū)間時(shí)，時(shí)延估計(jì)精度將嚴(yán)重惡化。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，本發(fā)明提供了一種基于低階內(nèi)插濾波器的自適應(yīng)時(shí)延估計(jì)方法，能夠?qū)崟r(shí)地、最優(yōu)化地合成任意連續(xù)可變的非整周期采樣延時(shí)。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種基于低階內(nèi)插濾波器的自適應(yīng)時(shí)延估計(jì)方法，源信號(hào)為s(k)，該方法用于在測(cè)量噪聲n₁(k)和n₂(k)的存在下，根據(jù)傳感器接收到的兩個(gè)觀測(cè)信號(hào)x(k)和y(k)估計(jì)并跟蹤時(shí)變延時(shí)D(k)的變化；其中k為時(shí)間變量。

步驟1：設(shè)以任意k時(shí)刻作為起始估計(jì)時(shí)刻，時(shí)變延時(shí)D(k)的估計(jì)值為根據(jù)先驗(yàn)信息設(shè)定的初值為

步驟2：對(duì)進(jìn)行分解：得到整周期延時(shí)分量和小數(shù)周期延時(shí)分量即其中，表示向下取整操作，為整數(shù)，為小數(shù)且存在

步驟3：根據(jù)計(jì)算索引位置變量即

步驟4：根據(jù)和源信號(hào)s(k)的中心頻率ω₀，采用內(nèi)插濾波器對(duì)觀測(cè)信號(hào)x(k)進(jìn)行內(nèi)插運(yùn)算，產(chǎn)生所述內(nèi)插濾波器的內(nèi)插公式具體如下：