[發(fā)明專利]基于時域波形比對的信號分量估計方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110497446.X
• 申請日: 2021-05-07
• 公開（公告）號: CN113219248B
• 公開（公告）日: 2022-09-20
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉紅星;毛雨煒;司峻峰
• 申請（專利權(quán)）人: 南京大學(xué)
• 主分類號: G01R25/00
• 分類號: G01R25/00;G01R23/16
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

一種基于時域波形比對的信號分量估計方法，針對信號分量頻率已知、只估計信號分量初相位的情況，它包括以下步驟，(1)讀取待估計信號采樣序列x(n)，n＝0，1，…，N?1，設(shè)采樣率為f_s，它有頻率f₀已知、初相位未知的感興趣信號分量；(2)求解一以初相位為自變量的一元函數(shù)優(yōu)化問題，將求得的最優(yōu)解確定為感興趣分量f₀對應(yīng)的初相位的精確估值一種基于時域波形比對的信號分量估計方法，針對信號分量的頻率和初相位均未知的情況，包括以下步驟，(1)讀取待估計信號采樣序列x(n)，n＝0，1，…，N?1，設(shè)采樣率為f_s，它有頻率為f₀、初相位為的感興趣信號分量；(2)求解一以頻率f和初相位為自變量的二元函數(shù)優(yōu)化問題，將最優(yōu)解確定為感興趣分量頻率f₀和初相位的精確估值和

技術(shù)領(lǐng)域

本申請涉及一種在信號分量頻率已知的情況下對其初相位進行估計的方法 和一種在信號分量頻率和初相位均未知的情況下對二者進行聯(lián)合估計的方法。

在一些場景中，信號分量的頻率是精準、恒定不變且已知的，需要對其初相 位進行估計，譬如，在相位式激光測距中，通過估計發(fā)射信號和接收信號的初相 位差來間接計算出時間，從而根據(jù)光速可估計出距離；再如，用掃頻法進行系統(tǒng) 頻響或阻抗譜分析時，也屬于頻率已知需要準確估計初相位的情況。在另一些場 景中，信號分量的頻率和相位都是未知的，例如在電力系統(tǒng)交流并網(wǎng)中，并網(wǎng)信 號的頻率和初相位被要求相同，需要對它們都進行準確估計。信號分量的頻率和 初相位的估計，還在雷達探測、生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)等許多領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用。信號 分量頻率和初相位的準確估計，意味著其應(yīng)用系統(tǒng)的更好性能。

實際中，信號分量的初相位也經(jīng)常簡稱相位。

背景技術(shù)

關(guān)于在頻率已知情況下的初相位估計。一種基本方法是：在頻域來算，將所 求信號在已知頻率點上的傅里葉變換DTFT的相位確定為該信號分量初相位的 估值。專利[1]還提出了一種在頻率已知的情況下基于信號相頻譜比對的初相位 搜索估計算法。系統(tǒng)沖擊響應(yīng)信號分量的初相位，可體現(xiàn)為系統(tǒng)輸入輸出同頻信 號的初相位差。一階線性插值法[2]利用直線近似代替過零點處的信號曲線，根據(jù) 過零點兩側(cè)的采樣值即可計算出準確的過零點，再根據(jù)求出的系統(tǒng)輸入輸出信號 過零點的時間差Δt計算系統(tǒng)的初相位；類似地，二階相位插值法利用二階多項式 對過零點處信號曲線進行擬合，并根據(jù)三個采樣點進行計算[2]；互相關(guān)法[3]對 兩路同頻信號x(t)，y(t)計算互相關(guān)，根據(jù)信號與噪聲之間互不相關(guān)，噪聲與噪聲 之間互不相關(guān)的原理，可得到互相關(guān)函數(shù)在零點處只與兩路信號的初相位差有關(guān)， 因此可直接求解出初相位差。

關(guān)于信號分量的頻率和初相位都需要估計的任務(wù)。一般的途徑是對信號分量 頻率和初相位依次估計，即在一定近似的基礎(chǔ)上，先將頻率或初相位的其一參數(shù) 估計完畢、然后再據(jù)此將另一個參數(shù)估計完畢。頻域中的經(jīng)典頻率估計方法可分 為基于DTFT(離散時間傅立葉變換)頻譜的峰值搜索[5][6]和對DFT峰值對應(yīng) 頻率和真實頻率的偏差進行估計的頻譜校正類算法，如迭代插值、增強迭代插值 算法[7][8][9]和相位差法[10][11]等。專利申請[12]提出了一種基于構(gòu)造信號幅頻 譜與待測信號幅頻譜進行比對的信號分量頻率精確估計方法，以頻率f為參數(shù)構(gòu) 造信號，以最大化構(gòu)造信號幅頻譜和待估計信號幅頻譜之間的相關(guān)系數(shù)為優(yōu)化目 標，通過二分搜索給出使相關(guān)系數(shù)達到最大的頻率作為待測信號感興趣分量頻率 f₀的精確估值也有一些非頻域的參數(shù)估計算法，這類方法不需要計算FFT， 因此通常更簡單，易于實現(xiàn)。如基于空間譜分解的MUSIC方法[13][14]通過特征 分解將信號分為信號空間和噪聲空間，利用噪聲空間和信號空間的正交性對參數(shù) 進行估計。類似還有利用旋轉(zhuǎn)不變性的ESPRIT方法[15]。