專利名稱：基于自適應(yīng)濾波原理的瞬時(shí)頻率測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及非平穩(wěn)多頻率成分信號(hào)瞬時(shí)頻率的測(cè)量方法，具體是一種基于自適應(yīng) 濾波原理的瞬時(shí)頻率測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
瞬時(shí)測(cè)頻技術(shù)在軍事上的應(yīng)用中地位非常重要，廣泛應(yīng)用于軍事通訊和電子對(duì)抗 中。在瞬時(shí)測(cè)頻領(lǐng)域，目前應(yīng)用較多的是對(duì)非平穩(wěn)多頻率成分信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。而在目前常 用的處理非平穩(wěn)信號(hào)的方法中，小波變換是良好的時(shí)間、頻率分析工具，它能解決Fourier 分析中信號(hào)在時(shí)域和頻域不能同時(shí)表達(dá)的問題。但是小波變換由于能量泄露等原因，會(huì)出 現(xiàn)混疊、相位扭曲的現(xiàn)象，造成時(shí)頻分辨率不高，在求解寬帶非平穩(wěn)信號(hào)的瞬時(shí)頻率上遇到 困難。而基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的Hilbert-huang算法是更具適應(yīng)性的時(shí)頻局部分析方法，它 沒有固定的先驗(yàn)基底，是自適應(yīng)的，根本上擺脫了傅立葉變換理論的束縛，然而它的核心技 術(shù)經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解方法還很不成熟，它往往會(huì)在高頻區(qū)頻率分辨率不高，在低頻區(qū)也會(huì)出現(xiàn) 不合理的頻率成分，容易掩蓋低能量的頻率成分。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外瞬時(shí)測(cè)頻方法的不足，提供一種基于自適應(yīng)濾 波原理的瞬時(shí)頻率測(cè)量方法。本文在結(jié)合Fourier分析法和Hilbert變換方法優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ) 上，提出了一種基于自適應(yīng)濾波原理的信號(hào)瞬時(shí)頻率測(cè)量新方法。凡是需要處理未知統(tǒng)計(jì) 環(huán)境下運(yùn)算結(jié)果所產(chǎn)生的信號(hào)或需要處理非平穩(wěn)信號(hào)時(shí)，自適應(yīng)濾波器的性能通常遠(yuǎn)優(yōu)于 用常規(guī)方法設(shè)計(jì)的固定濾波器。此外，自適應(yīng)濾波器還能提供非自適應(yīng)方法所不可能提供 的新的信號(hào)處理能力。該方法采用自適應(yīng)濾波算法，將多頻率信號(hào)分解為數(shù)個(gè)單頻信號(hào)，克 服了 Hilbert-Huang算法高頻區(qū)頻率分辨率不高的缺點(diǎn)，在低頻和高頻區(qū)都實(shí)現(xiàn)了較高的 頻率分辨率，而且又結(jié)合了 Hilbert變換處理瞬變的單一頻率信號(hào)的優(yōu)勢(shì)，很好地解決了 時(shí)間分辨率和頻率分辨率這一矛盾，使該算法同時(shí)具有很高的時(shí)間分辨率和頻率分辨率， 滿足了瞬時(shí)頻率測(cè)量的精度和實(shí)時(shí)性要求。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是1)對(duì)原始非平穩(wěn)多頻率成分信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，即先 通過自適應(yīng)濾波算法，將其分解為滿足Hilbert變換要求的多個(gè)個(gè)漸進(jìn)單頻信號(hào)；2)對(duì)分 解出的每一個(gè)漸進(jìn)單頻信號(hào)做Hilbert變換，得出各自的瞬時(shí)頻率，從而獲得信號(hào)完整的、 精確的時(shí)頻分布。其分析流程如圖1所示。由瞬時(shí)頻率的物理意義可知，只有當(dāng)實(shí)信號(hào)的表達(dá)式具有C(t) =A(t)coscj5(t) 的形式時(shí)才能計(jì)算瞬時(shí)頻率。而對(duì)于多頻率分量信號(hào)，必須把它分解為漸進(jìn)單頻信號(hào)，這個(gè) 過程由自適應(yīng)濾波算法來完成。采用自適應(yīng)濾波器系統(tǒng)，意味著濾波器是自設(shè)計(jì)的，因?yàn)樽赃m應(yīng)濾波器依靠遞歸 算法進(jìn)行運(yùn)算，這樣使得它有可能在有關(guān)信號(hào)特征的完整知識(shí)不能得到的環(huán)境下，完滿地 完成濾波運(yùn)算。在平穩(wěn)環(huán)境下，該算法經(jīng)一些成功迭代后收斂于某種統(tǒng)計(jì)意義上的最優(yōu)維
3納解。在非平穩(wěn)環(huán)境下，該算法提供了一種跟蹤能力，因?yàn)樗軌蚋欇斎霐?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)特性隨 時(shí)間的變化。在自適應(yīng)濾波算法中最常用的是最小均方誤差LMSdeast meansquare)算法，該 算法是由Widrow和Hoff提出的，它的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、易于實(shí)現(xiàn)，被廣泛應(yīng)用于 實(shí)踐中。其基本思想為通過調(diào)整濾波器自身參數(shù)，使濾波器的輸出信號(hào)與期望信號(hào)之間的 均方誤差最小，并由它來修改權(quán)系數(shù)，使得系統(tǒng)輸出為有用信號(hào)的最佳估計(jì)。假設(shè)第n時(shí)刻輸入信號(hào)為X(n)，輸出信號(hào)為Y(n)，令d(n)表示期望信號(hào)，W(n)表 示濾波器的抽頭權(quán)向量，e(n)表示誤差信號(hào)，則它們有如下關(guān)系 式中y (n)為步長(zhǎng)參數(shù)，也即收斂因子，控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和自適應(yīng)的收斂速 度，通過調(diào)節(jié)系數(shù)，使e(n)均方誤差達(dá)到最小。LMS算法收斂的條件為0<//( )< f，入.
max
是輸入信號(hào)自相關(guān)矩陣的最大特征值。步長(zhǎng)參數(shù)P (n)決定抽頭權(quán)向量在每步迭代中的更 新量，是影響算法收斂速率的關(guān)鍵參數(shù)。大的步長(zhǎng)能夠提高算法的收斂速率，但是失調(diào)較大 而穩(wěn)態(tài)性能就會(huì)降低；反之，如果為了減小失調(diào)提高穩(wěn)態(tài)性能，獲得較小的均方誤差，采用 小的步長(zhǎng)，又會(huì)導(dǎo)致收斂速率降低。在實(shí)際工程應(yīng)用中，要根據(jù)具體需要折中選取合適的步 長(zhǎng)參數(shù)值。在該方法的具體實(shí)現(xiàn)過程中，首先對(duì)輸入的非平穩(wěn)多頻率成分信號(hào)進(jìn)行Fourier 變換，得到信號(hào)的功率譜?？紤]到信號(hào)中有可能會(huì)疊加噪聲，將信號(hào)進(jìn)行Fourier變換后， 其功率譜將存在多個(gè)峰值(其中有的峰值是由于噪聲產(chǎn)生的)，為了消除噪聲的影響，從中 提取出有用信號(hào)的頻率成分，設(shè)定一閾值 式中2N是數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。保留功率譜中大于該閾值的峰值成分，得到該峰值對(duì)應(yīng)的信 號(hào)的頻率成分，舍棄其它由噪聲引入的干擾信號(hào)，從而求得信號(hào)所包含的多個(gè)頻率成分f\，
f…f l2 -"-n0求得信號(hào)所包含的多個(gè)頻率成分后，用NCO產(chǎn)生具有這些頻率的標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)， 將這些信號(hào)作為自適應(yīng)濾波器的期望輸入信號(hào)，即ddt) = sin (2 ji fj)，將非平穩(wěn)多頻率 信號(hào)作為自適應(yīng)濾波器的輸入向量信號(hào)，通過改變期望信號(hào)，經(jīng)過自適應(yīng)濾波，可得到與期 望輸入信號(hào)屯(t)同頻率的漸進(jìn)單頻信號(hào)Q (t)，即為輸入多頻率成分信號(hào)的各個(gè)單一頻率 分量，完成了對(duì)輸入多頻率成分信號(hào)的分解。這個(gè)過程同時(shí)具有濾除噪聲的功能，由于期望 信號(hào)是標(biāo)準(zhǔn)的正弦信號(hào)，不含噪聲，將包含噪聲分量的輸入信號(hào)經(jīng)過自適應(yīng)濾波后得到與 期望信號(hào)同頻的單頻信號(hào)，即對(duì)噪聲進(jìn)行了濾除。由于期望信號(hào)是由在低頻和高頻區(qū)都有 較高頻率分辨率的Fourier變換求得，而且采用了自適應(yīng)算法，使得輸出信號(hào)與期望信號(hào) 同頻，因此使輸出信號(hào)也具有較高的頻率分辨率，從而克服了 Hilbert-Huang算法在高頻 區(qū)頻率分辨率不高的缺點(diǎn)。接下來將自適應(yīng)濾波輸出的漸進(jìn)單頻信號(hào)進(jìn)行Hilbert變換，可得到各分量的瞬 時(shí)頻率并構(gòu)造Hilbert譜。對(duì)Q (t)進(jìn)行Hilbert變換可得數(shù)據(jù)序列
4
式中P為Cauchy主值。利用C, (t)和CHi (t)可以構(gòu)造解析信號(hào)(t) = Ci (t) +jCHi (t)= (t) eJ 9 (t)(5)其中幅值函數(shù)ai(t) = ^Cl\t) + CHi2(t)(6)相位函數(shù)0 i(t) = arctan (CHi (t) /Ct (t))(7)于是，各個(gè)漸進(jìn)單頻信號(hào)的瞬時(shí)頻率可以表示為 ！ (t) = d e j (t) /dt(8)由以上分析可以看出，由Hilbert變換得出的信號(hào)，振幅和頻率都是時(shí)間的函數(shù)， 能很好地反映信號(hào)頻率的瞬時(shí)性。如果把振幅顯示在頻率——時(shí)間平面上，就可以得到 Hilbert譜H( ，t)，最后綜合得到原始多頻率成分信號(hào)的瞬時(shí)頻率。本發(fā)明的有益效果是，由于引入了自適應(yīng)濾波算法，可以把非線性、非平穩(wěn)的多頻 率分量信號(hào)分解成漸進(jìn)單頻信號(hào)分量，從而使由Hilbert變換提取的瞬時(shí)頻率和瞬時(shí)幅值 具有物理意義，同時(shí)對(duì)噪聲進(jìn)行了濾除，大大消除了噪聲的干擾。采用本文提出的瞬時(shí)參數(shù) 提取方法，可以獲得非平穩(wěn)多頻率分量信號(hào)的完整的、精確的瞬時(shí)物理量，進(jìn)一步可以得到 非平穩(wěn)信號(hào)的時(shí)-頻分布，滿足了軍事通訊和電子對(duì)抗領(lǐng)域中瞬時(shí)頻率測(cè)量的要求。


圖1是基于自適應(yīng)濾波器原理的瞬時(shí)測(cè)頻方法流程圖2是輸入非平穩(wěn)多頻率分量信號(hào)S的波形3是基于自適應(yīng)濾波器組的瞬時(shí)測(cè)頻系統(tǒng)框4是輸入信號(hào)FFT后的頻譜5是輸入信號(hào)經(jīng)自適應(yīng)濾波器模塊濾波后得到的各漸進(jìn)單頻信號(hào)圖6是輸入的非平穩(wěn)多頻率分量信號(hào)的瞬時(shí)頻率
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。圖2是輸入非平穩(wěn)多頻率分量信號(hào)S，其信號(hào)表達(dá)式為
Jsin(A *2Mifs)+sin{f2 *2M/fs) r €
</mo></msqrt><mo>,</mo> </mrow>其中2N是數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，求得大于閾值的峰值成分，得到信號(hào)所包含的多個(gè)高頻率成分f1，f2...fn，其中n為信號(hào)所包含的頻率成分的個(gè)數(shù)，用NCO產(chǎn)生具有這些頻率的標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)，分別作為n個(gè)自適應(yīng)濾波器的期望輸入信號(hào)，即di(t)＝sin(2πfit)，其中1≤i≤n，di為自適應(yīng)濾波器的第i個(gè)期望輸入信號(hào)，t為時(shí)間值，自適應(yīng)濾波器使用最小均方誤差LMS算法，將該非平穩(wěn)信號(hào)作為自適應(yīng)濾波器的輸入向量信號(hào)，通過改變期望信號(hào)，經(jīng)過自適應(yīng)濾波算法，得到與期望輸入信號(hào)di(t)同頻率的漸進(jìn)單頻信號(hào)Ci(t)，即為輸入多頻率成分信號(hào)的各個(gè)單一頻率分量，完成了對(duì)輸入多頻率成分信號(hào)的分解，再用Hilbert變換對(duì)每個(gè)漸進(jìn)單頻信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，計(jì)算出信號(hào)的瞬時(shí)頻率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用自適應(yīng)濾波算法分解非平穩(wěn)的多頻率成分信號(hào)的方法， 該自適應(yīng)濾波算法通過自動(dòng)調(diào)整濾波器自身參數(shù)，使濾波器的輸出信號(hào)與期望信號(hào)之間的 均方誤差最小，并由它來修改權(quán)系數(shù)，使得系統(tǒng)輸出為有用信號(hào)的最佳估計(jì)
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用自適應(yīng)濾波算法分解非平穩(wěn)的多頻率成分信號(hào)的方法， 其特征在于將多頻率成分信號(hào)分解為形如C(t) =A(t)coscj5(t)漸進(jìn)單頻信號(hào)，只有當(dāng)實(shí) 信號(hào)具有上述表達(dá)式時(shí)才能計(jì)算瞬時(shí)頻率
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用Hilbert變換獲得信號(hào)瞬時(shí)頻率的方法，其特征在于結(jié) 合了 Hilbert變換處理瞬變的單一頻率信號(hào)的優(yōu)勢(shì)，很好地解決了時(shí)間分辨率和頻率分辨 率這一矛盾，使該算法同時(shí)具有很高的時(shí)間分辨率和頻率分辨率，在lKHz 500MHz的頻率 范圍，使的瞬時(shí)頻率的測(cè)量精度達(dá)到0. 1%，滿足了瞬時(shí)頻率測(cè)量的精度和實(shí)時(shí)性要求。
全文摘要
本發(fā)明公開一種基于自適應(yīng)濾波算法的信號(hào)瞬時(shí)頻率測(cè)量方法。利用自適應(yīng)濾波算法可以將非平穩(wěn)的多頻率成分信號(hào)分解為若干個(gè)漸進(jìn)單頻信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，解決了多頻率成分信號(hào)的分析問題。采用Hilbert變換對(duì)漸進(jìn)單頻信號(hào)進(jìn)行瞬時(shí)測(cè)頻，可以獲得非平穩(wěn)多頻率分量信號(hào)的完整的、精確的瞬時(shí)物理量，進(jìn)一步可以得到非平穩(wěn)信號(hào)的時(shí)-頻分布，滿足了軍事通訊和電子對(duì)抗領(lǐng)域中瞬時(shí)頻率測(cè)量的要求。
文檔編號(hào)G01R23/165GK101858938SQ20091021955
公開日2010年10月13日 申請(qǐng)日期2009年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月18日
發(fā)明者劉凱, 孟繁杰, 宣宗強(qiáng), 王召利, 王海, 范文晶 申請(qǐng)人:西安電子科技大學(xué)