[發明專利]一種信號分量頻率的精確估計方法

有效

• 申請號: 201810206809.8
• 申請日: 2018-03-07
• 公開（公告）號: CN108414833B
• 公開（公告）日: 2020-11-10
• 發明（設計）人: 劉紅星;魯星辰;司峻峰
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: G01R23/16
• 分類號: G01R23/16
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

一種基于計算機程序對信號分量的頻率進行精確估計的方法，包括三個步驟，(1)讀取待分析信號的采樣序列x(n)n＝0，1，…，N?1，它有頻率為f₀的感興趣信號分量，(2)計算序列x(n)幅頻譜|X(f)|在全頻域的N個等間隔的離散值，|X(k)|k＝0，1，…，N?1，(3)求解一優化問題以確定感興趣信號分量頻率f₀的精確估值，其特點是，不求幅頻譜本身的峰值點，而求幅頻譜與構造信號幅頻譜間相關系數的峰值點，不是信號幅值譜線間兩兩比較，而是整個幅頻譜之間兩兩比較，將加窗和噪聲對頻率估計的影響降到了最小。

技術領域

本申請涉及一種基于計算機程序對信號分量的頻率進行精確估計的方法。實際中，很多場合都涉及基于計算機程序對信號分量的頻率進行精確估計的問題，如在電力系統、雷達、生物醫學信號處理等領域。

在電力系統中，系統信號分量的頻率是電能質量的重要指標之一，是反映電力系統運行狀態的重要參數。一般地，在電力系統穩定運行的狀況下，發電機輸出功率與系統負荷及損耗維持平衡，電力系統信號分量的頻率表現為標稱值，或者隨著負荷之波動在小范圍內緩慢地變化。如果出現大容量負荷變化或發電機的投切以及控制設備的不完善，則可能導致較大頻率偏移，由此給電力系統的穩定運行和用戶設備的正常工作帶來影響。要實現一個完善的智能化的安全穩定運行的電力系統，以保障它的電能質量，檢測和精確估計系統信號分量的頻率是一項必須的核心技術。

在雷達領域中，調頻連續波(Frequency Modulated Continuous Wave，FMCW)技術是一種在高精度雷達測距中使用的技術。其基本原理如附圖6所示：發射波為高頻連續波，其頻率隨時間按照三角波規律變化；雷達接收的回波的頻率與發射的頻率變化規律相同，都是三角波規律，只是相同頻率有一個時間差Δt，利用這個微小的時間差可計算出目標距離d＝c·Δt/2(c為電磁波信號在空氣中傳播的速度)。其中，時間差Δt的計算，首先要精確估計每個時間點發射信號與回波信號的頻差，然后根據峰值頻差Δf間接計算Δt；按附圖6有，Δt＝(Δf·T)/(2ΔF)，其中T為頻率調制信號周期，ΔF為頻率調制信號調頻范圍。

在生物醫學領域中，信號分量的頻率估計方法也有很多應用。例如，在采集人體生理信號的時候，不可避免的會采集到50Hz或60Hz市電干擾信號，這對生理信號的后續處理有很大的干擾，應想辦法在進一步處理前去除，這也涉及到50Hz或60Hz市電干擾信號頻率的精確估計問題，它是高質量陷波處理的前提。

背景技術

最常見的信號分量頻率估計方法自然是在頻域進行的。其一般原理是：設有一個待估計信號分量之頻率的實時間信號x(t)，它的采樣序列為x(n)n＝0，1，...，N-1，采樣率為f_sHz，則其傅里葉變換如果信號x(t)中有一個以f₀Hz為頻率的信號分量，則其傅里葉變換的模函數，即幅頻響應或者說幅頻譜|X(f)|，在f＝f₀處會出現峰值，據此精確估計信號頻率f₀。

基于計算機程序估計以上信號分量頻率f₀，表現為求對應峰值的搜索。根據f₀所在范圍的先驗知識的不同，可分別進行全頻譜域的搜索或某一頻段內的搜索，全頻譜域的搜索區間為[0，f_s/2]。關于具體搜索算法，可采用等間隔的枚舉搜索算法或不等間隔的啟發式搜索算法，也可對兩種方式進行某種形式的結合來搜索。全頻譜域離散N/2個等間隔的搜索算法，即離散傅里葉變換(DFT)的方法，有快速算法，稱為快速傅里葉變換(FFT)；在某一局部頻段內進行若干等間隔的搜索，也有快速算法，叫ZoomFFT；也可將FFT和ZoomFFT相結合，兼顧搜索精度和搜索效率。不等間隔的基于梯度的或啟發式的搜索算法，可采用重心法、二分法、梯度法、進化算法等優化算法。