[發(fā)明專利]基于模式聚類與譜校正的欠采樣信號頻率估計方法及裝置

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810910856.0
• 申請日: 2018-08-10
• 公開（公告）號: CN109308453A
• 公開（公告）日: 2019-02-05
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 黃翔東;徐婧文
• 申請（專利權(quán)）人: 天津大學(xué)
• 主分類號: G06K9/00
• 分類號: G06K9/00;G06K9/62
• 代理公司: 天津市北洋有限責(zé)任專利代理事務(wù)所 12201
• 代理人: 李林娟

本發(fā)明公開了一種基于模式聚類與譜校正的欠采樣信號頻率估計方法及裝置，方法包括：對L路欠采樣信號樣本序列做N點加漢寧窗的DFT得到DFT頻譜，對DFT頻譜進行基于比值法的頻譜和相位校正，得到校正后的由頻率、相位、幅值組成的參數(shù)組，并得到由校正后參數(shù)組合而成的向量；對于第m個頻率成分的第l路獨立向量，根據(jù)向量集合選出期望的峰值指標；根據(jù)諧波參數(shù)構(gòu)成的峰值指標進行模式聚類，得到聚類之后的余數(shù)；利用余數(shù)構(gòu)造頻率余數(shù)組，并將其帶入CRT模型進行重構(gòu)，得出頻率估計值。裝置包括：模數(shù)轉(zhuǎn)化器、DSP芯片、輸出驅(qū)動及其顯示模塊。本發(fā)明引入頻譜校正算法使頻率重構(gòu)精度得到提高，使用模式聚類提高估計器對噪聲的魯棒性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及信號分析處理技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及對于觀測接收到的多頻信源信號，對其進行欠采樣處理并進行頻譜校正、模式聚類與中國余數(shù)定理重構(gòu)，從而實現(xiàn)對多頻信源的頻率估計。

背景技術(shù)

含有多成分信號的頻率估計是信號處理領(lǐng)域的研究熱點，在雷達、無線通信、電子戰(zhàn)等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。然而欠采樣(即采樣速率f_s遠小于2倍信號頻率f₀)下的高精度頻率估計一直是個難題，因為奈奎斯特定理要求一個信號周期內(nèi)采到2個以上樣點，隨著信號頻率升高，必然要求其采樣速率相應(yīng)升高，這就會對模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog to DigitalConverter，簡記為ADC)的轉(zhuǎn)換速率、功耗以及硬件成本提出更高要求，在某些特定場合(如f_s＞10⁹samples/s的采樣)，甚至是不可實現(xiàn)的。從而只有引入信號處理新方法，才能根本解決該問題。實際上，通過利用一系列附加的模擬電路，如本地振蕩發(fā)生器、混頻器和中頻帶通器，這些頻率可以從低速率ADCs^[1]中提取。然而這些模擬電路會使整個頻率估計器的硬件復(fù)雜度升高。因此迫切需要開發(fā)一種可以直接處理由低速率ADC收集的樣本，無需任何附加模擬電路的新型頻率估計器。

中國余數(shù)定理(Chinese Remainder Categorization,CRT)和DFT(DiscreteFourier Transform)頻譜分析的組合是實現(xiàn)欠采樣波形頻率估計的可行方法^[2-7]。這種組合的基礎(chǔ)原理在于：假設(shè)N表示要測量的高頻率，M₁～M_L為參考的欠采樣率(也稱為CRT模值)^[2,4,6]。為重構(gòu)頻率N，僅利用一組相互之間滿足互素關(guān)系的整數(shù)模值：M₁～M_L，及相應(yīng)的余數(shù)r₁～r_L(即滿足r_i＝N mod M_i,i＝1,...,L,‘mod’表示模除操作)來估計N。因此，一旦r₁～r_L通過DFT確定，所需頻率就可以從L個欠采樣波形中恢復(fù)。通常，這種組合演變?yōu)閮深悾夯ニ刈V分析儀和改進的基于CRT的頻率估計器。

Vaidyanathan提出了一種使用DFT濾波器的互素譜分析儀^[5,8]。該分析儀使用L＝2個欠采樣路徑，其中任一個提供濾波后M點DFT(或N點DFT，M和N是互質(zhì)整數(shù))輸出。通過對所有可能的MN個DFT輸出進行交叉相關(guān)操作，那些具有較大的互相關(guān)值的索引(即頻率余數(shù)r₁,r₂)將被記錄下來，并用傳統(tǒng)的CRT方法來恢復(fù)頻率。然而，這種分析器有兩個缺點：

(1)統(tǒng)計互相關(guān)運算將導(dǎo)致大的延遲和高的復(fù)雜度^[5,9]；

(2)恢復(fù)結(jié)果有限，由于傳統(tǒng)的CRT只能提供MN個可能的重建值，雖然文獻[10]提出了0.5-shift操作使互素譜分析儀的分辨率加倍，但是其重建精度仍然較低。