[發明專利]基于相位直線擬合的正弦波信號頻率估計方法

有效

• 申請號: 202010892561.2
• 申請日: 2020-08-31
• 公開（公告）號: CN112162153B
• 公開（公告）日: 2023-04-28
• 發明（設計）人: 劉慶云;桂峰;黃啟量;楊會軍
• 申請（專利權）人: 南京億杰明信息技術有限公司
• 主分類號: G01R23/12
• 分類號: G01R23/12;G01R23/165
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 薛云燕

本發明公開了一種基于相位直線擬合的正弦波信號頻率估計方法。該方法步驟為：對輸入的含噪復解析數字信號作FFT運算，并將最強譜線所對應的頻率值作為正弦波信號頻率的初估計值fsubgt;e/subgt;；利用fsubgt;e/subgt;對輸入的復解析數字信號進行下變頻處理；對下變頻后的數據進行低通濾波處理；數據量若大于設定閾值則進行數據抽取處理；對所得數據進行解相位角運算，并對所得相位角數據進行預處理；進行直線擬合運算，根據結果計算頻率估計誤差Δfsubgt;e/subgt;，正弦波信號的頻率估計值調整為fsubgt;e/subgt;＝fsubgt;e/subgt;+Δfsubgt;e/subgt;；若Δfsubgt;e/subgt;大于閾值，用Δfsubgt;e/subgt;對輸入復解析數字信號進行再次下變頻處理，提取信號的相位信息重復前述步驟；否則輸出正弦波頻率的最終估計值fsubgt;e/subgt;。本發明在低信噪比條件下具有更優的估計性能。

技術領域

本發明涉及數字信號處理技術領域，特別是一種基于相位直線擬合的正弦波信號頻率估計方法。

背景技術

在很多工程應用領域，如雷達/聲吶信號處理、通信信號處理、無源定位、計量與測試等領域，都需要對正弦波信號進行高精度頻率估計。正弦波信號頻率估計的最常用方法是FFT算法，但FFT算法的頻率估計性能除受檢測信噪比制約之外，還受制于其數字分辨力f_s/M，f_s、M分別為采樣頻率和FFT運算的點數。當f_s一定時，數字分辨力每提高一倍，數據存貯量和計算量就應相應地增加一倍，因此FFT算法通常不適用于需要對正弦波信號進行高精度頻率估計的場合。

為解決此問題，人們又提出了Rife算法及其各種改進型算法(下方中統稱為M-Rife算法)。M-Rife算法以FFT算法為基礎，在無需提高FFT算法數字分辨力的情況下，可明顯改善頻率估計性能。但M-Rife算法也是有局限性的。其局限性表現在以下兩個方面：1)受噪聲影響，在確定最大譜線兩側的次大譜線時，有可能出現誤判；2)在較低輸入信噪比條件下，真實頻率并不一定位于與最大譜線相鄰的兩根譜線之間的某個位置。當出現上述兩種情況時，M-Rife算法反而會惡化頻率估計性能。

正弦波頻率估計的另一種常用方法是間隔多個采樣點提取兩個采樣數據間的相位差，然后除以這兩個數據采樣點間的時間間隔以獲得頻率的粗估計值，再通過對多個粗估計值進行平均運算以提高頻率估計精度。該種頻率估計方法的估計性能通常劣于FFT法和M-Rife算法，只適用于較高信噪比的條件下。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于相位直線擬合的正弦波信號頻率估計方法，從而在較低檢測信噪比條件下實現更優的頻率估計性能。

實現本發明目的的技術解決方案為：一種基于相位直線擬合的正弦波信號頻率估計方法，包括以下步驟：

步驟1，對輸入的含噪復解析數字信號作FFT運算，并將最強譜線所對應的頻率值作為正弦波信號頻率的初估計值，記作f_e；

步驟2，利用正弦波信號頻率的初估計值f_e，對輸入的復解析數字信號進行下變頻處理；

步驟3，對下變頻后的數據進行低通濾波處理；

步驟4，判斷經低通濾波處理后的數據量是否大于設定閾值：若大于閾值則對經低通濾波處理后的數據進行數據抽取處理，然后進入步驟5；否則，直接進入步驟5；

步驟5，對所得數據進行解相位角運算；

步驟6，對所得相位角數據進行預處理；

步驟7，對經預處理后的相位角數據進行直線擬合運算，再根據直線似合的結果計算頻率估計誤差Δf_e，正弦波信號的頻率估計值調整為f_e＝f_e+Δf_e；