一種基于相位的頻率估計(jì)插值方向判斷方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于相位的頻率估計(jì)插值方向判斷方法，主要解決低信噪比條件下，譜線幅度判斷插值方向正確率較低的問題，具體步驟是：對(duì)信號(hào)做快速傅里葉變換，搜索到幅度最大的譜線作為譜峰，比較譜峰相鄰兩側(cè)的譜線與譜峰的相位差，以相位差較大的一側(cè)為插值方向。本方法簡單、容易硬件實(shí)現(xiàn)，信號(hào)長度足夠時(shí)，可以保證正確性。
【專利說明】一種基于相位的頻率估計(jì)插值方向判斷方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于相位的頻率估計(jì)插值方向判斷方法，屬于一種信號(hào)處理方法。

【背景技術(shù)】
[0002]在頻率估計(jì)當(dāng)中，惡劣的信道環(huán)境會(huì)嚴(yán)重影響接收信號(hào)的信噪比，當(dāng)今低信噪比環(huán)境下的頻率估計(jì)應(yīng)用很廣，因此，如何提高極低信噪比下信號(hào)的頻率估計(jì)性能是很重要的。
[0003]通常采用的頻率估計(jì)方法是利用快速傅立葉變換對(duì)接收的信號(hào)序列進(jìn)行頻域信號(hào)處理，估計(jì)信號(hào)頻率。利用快速傅立葉變換估計(jì)頻率的技術(shù)主要是通過借助第二譜線和峰值譜線的幅度比值估計(jì)信號(hào)的實(shí)際頻率在兩條譜線之間的位置，即Rife算法。
[0004]與Rife算法類似的其他算法，如Quinn算法、頻偏校正算法、CZT算法，都可以歸為基于快速傅里葉變換的插值算法。對(duì)插值算法來說，影響估計(jì)精度的兩個(gè)重要步驟是插值方向的判斷和插值量的計(jì)算。插值量判斷，常用的插值方向判斷就是類似Rife算法，利用譜線幅度決定。
[0005]這種方法利用譜線幅度判斷插值方向，在信噪比條件較好時(shí)，得到正確率很高的插值方向判斷。但是在低信噪條件下，利用譜線幅度判斷插值方向有較高的錯(cuò)誤率，極大得影響了 Rife算法最終的頻率估計(jì)精度。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]發(fā)明目的:為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種基于相位的頻率估計(jì)插值方向判斷方法，采用基于譜線相位信息的方法來判斷插值頻率估計(jì)當(dāng)中的插值方向，解決在低信噪比條件下，利用傅里葉變換后譜線幅度判斷插值方向準(zhǔn)確率較低的問題。
[0007]技術(shù)方案:為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
[0008]一種基于相位的頻率估計(jì)插值方向判斷方法，對(duì)信號(hào)做快速傅里葉變換，搜索到幅度最大的譜線作為譜峰，比較譜峰相鄰兩側(cè)的譜線與譜峰的相位差，以相位差較大的一側(cè)為插值方向。在得到插值方向的基礎(chǔ)上，對(duì)譜峰和插值方向譜線進(jìn)行擬合計(jì)算插值量，并結(jié)合譜峰位置，可以得到較為精確的信號(hào)頻率估計(jì)。
[0009]上述方法具體包括如下步驟:
[0010](I)對(duì)接收到的長度為N的離散信號(hào)X(n) = Aexp (j ( Θ 0+2 Ji f0n/fs))做快速傅里葉變換，得到序列義(A:) = Z.v(/7.)exP(-/m:)，其中，A、fs、fQ和Θ。分別為信號(hào)幅度、


?-O
采樣率、初始頻率以及初始相位；
[0011](2)搜索X(k)得到第kmax條譜線為幅度最大的譜線，記第kmax條譜線為譜峰；若kmax為1，則頻率位置在第kmax和kmax+l條譜線之間，插值方向?yàn)檎?；若kmax為N，則頻率位置在第kmax-l和kmax條譜線之間，插值方向?yàn)樨?fù)；若l〈kmax〈N，則進(jìn)入步驟⑶；
[0012](3)分別計(jì)算譜峰相鄰兩側(cè)的譜線與譜峰的相位差，即計(jì)算第kmax和第kmax_l條譜線之間的相位差PU第kmax+l和第kmax條譜線之間的相位差P2，比較Pl和P2，以與譜峰相位差較大的一側(cè)為插值方向。
[0013]Pl和P2的計(jì)算過程如下:
[0014]Pl = abs (phase (X (kmax)) -phase (X (kmax-l)))
[0015]P2 = abs (phase (X (kmax)) -phase (X (kmax+l)))
[0016]其中，abs()表示計(jì)算括號(hào)中絕對(duì)值，phase O表示計(jì)算括號(hào)中相位；
[0017]若P1>P2，則頻率位置在第kmax和第kmax_l條譜線之間，插值方向?yàn)樨?fù)；若P1〈P2則頻率位置在第kmax+l和第kmax條譜線之間，插值方向?yàn)檎籗P1 =P2，則可以認(rèn)為FFT估計(jì)的頻率已經(jīng)足夠精準(zhǔn)，無需做插值運(yùn)算。
[0018]有益效果:本發(fā)明提供的基于相位的頻率估計(jì)插值方向判斷方法，相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，具有如下優(yōu)勢:1、在低信噪比條件下，能夠提高頻率估計(jì)插值方向判斷的正確率；2、本方法計(jì)算量小，速度快，對(duì)硬件資源要求低，易于硬件實(shí)現(xiàn)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是本方法的實(shí)現(xiàn)流程圖；
[0020]圖2是本方法和利用譜線幅度判斷插值方向的效果比較圖。

【具體實(shí)施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。
[0022]如圖1所示為一種基于相位的頻率估計(jì)插值方向判斷方法，對(duì)信號(hào)做快速傅里葉變換，搜索到幅度最大的譜線作為譜峰，比較譜峰相鄰兩側(cè)的譜線與譜峰的相位差，以相位差較大的一側(cè)為插值方向。在得到插值方向的基礎(chǔ)上，對(duì)譜峰和插值方向譜線進(jìn)行擬合計(jì)算插值量，并結(jié)合譜峰位置，可以得到較為精確的信號(hào)頻率估計(jì)。
[0023]上述方法具體包括如下步驟:
[0024](I)對(duì)接收到的長度為N的離散信號(hào)X (n) = Aexp (j ( Θ 0+2 Ji f0n/fs))做快速傅里葉變換，得到序列欠⑷=X a-(/7) exp 1-/2^ / W)，其中，A、fs、fQ和Θ。分別為信號(hào)幅度、


?-O
采樣率、初始頻率以及初始相位；
[0025](2)搜索X(k)得到第kmax條譜線為幅度最大的譜線，記第kmax條譜線為譜峰；若kmax為1，則頻率位置在第kmax和kmax+l條譜線之間，插值方向?yàn)檎蝗鬹max為N，則頻率位置在第kmax-l和kmax條譜線之間，插值方向?yàn)樨?fù)；若l〈kmax〈N，則進(jìn)入步驟⑶；
[0026](3)分別計(jì)算譜峰相鄰兩側(cè)的譜線與譜峰的相位差，即計(jì)算第kmax和第kmax_l條譜線之間的相位差PU第kmax+l和第kmax條譜線之間的相位差P2，Pl和P2的計(jì)算過程如下:
[0027]Pl = abs (phase (X (kmax)) -phase (X (kmax-l)))
[0028]P2 = abs (phase (X (kmax)) -phase (X (kmax+l)))
[0029]其中，abs()表示計(jì)算括號(hào)中絕對(duì)值，phase O表示計(jì)算括號(hào)中相位；
[0030]若P1>P2，則頻率位置在第kmax和第kmax_l條譜線之間，插值方向?yàn)樨?fù)；若P1〈P2則頻率位置在第kmax+l和第kmax條譜線之間，插值方向?yàn)檎?；SP1 =P2，則可以認(rèn)為FFT估計(jì)的頻率已經(jīng)足夠精準(zhǔn)，無需做插值運(yùn)算。
[0031]本發(fā)明的效果可以通過下面的仿真進(jìn)一步證明:
[0032]仿真條件
[0033]利用matlab產(chǎn)生10000組不同初始頻率的信號(hào)，信號(hào)的分辨率為200000sps，采樣時(shí)間為I秒。對(duì)產(chǎn)生的信號(hào)添加加性高斯白噪聲，信噪比變化范圍為-20dB至20dB。每個(gè)信噪比下對(duì)上述10000組信號(hào)分別按照本方法和利用譜線幅度判斷插值方向，記錄插值方向判斷錯(cuò)誤率。
[0034]仿真結(jié)果
[0035]圖2對(duì)比了本方法和利用譜線幅度判斷插值方向的錯(cuò)誤率。由圖2可見，本方法相比利用譜線幅度判斷插值方向，在不同信噪比條件下都有更小的錯(cuò)誤率。即使在信噪比很低的情況下，仍然可以保證插值方向判斷的錯(cuò)誤率小于0.01。
[0036]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出:對(duì)于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種基于相位的頻率估計(jì)插值方向判斷方法，其特征在于:對(duì)信號(hào)做快速傅里葉變換，搜索到幅度最大的譜線作為譜峰，比較譜峰相鄰兩側(cè)的譜線與譜峰的相位差，以相位差較大的一側(cè)為插值方向。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于相位的頻率估計(jì)插值方向判斷方法，其特征在于:具體包括如下步驟: (1)對(duì)接收到的長度為N的離散信號(hào)X(n) = Aexp (j ( θ 0+2 π f0n/fs))做快速傅里葉變換’得到序列義⑷二乙+ 一^-/^^廣其中，A、fs、fQ和Θ。分別為信號(hào)幅度、采樣
?=()率、初始頻率以及初始相位； (2)搜索X(k)得到第kmax條譜線為幅度最大的譜線，記第kmax條譜線為譜峰；Skmax為1，則頻率位置在第kmax和kmax+l條譜線之間，插值方向?yàn)檎?；若kmax為N，則頻率位置在第kmax-l和kmax條譜線之間，插值方向?yàn)樨?fù)；若l〈kmax〈N，則進(jìn)入步驟⑶； (3)分別計(jì)算譜峰相鄰兩側(cè)的譜線與譜峰的相位差，即計(jì)算第kmax和第kmax-l條譜線之間的相位差P1、第kmax+l和第kmax條譜線之間的相位差P2，比較Pl和P2，以與譜峰相位差較大的一側(cè)為插值方向。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于相位的頻率估計(jì)插值方向判斷方法，其特征在于:所述步驟⑶中，Pl和P2的計(jì)算過程如下:
Pl = abs (phase (X (kmax)) -phase (X (kmax_l)))
P2 = abs (phase (X (kmax)) -phase (X (kmax+l))) 其中，abs()表示計(jì)算括號(hào)中絕對(duì)值，phase ()表示計(jì)算括號(hào)中相位； 若P1>P2，則頻率位置在第kmax和第kmax-l條譜線之間，插值方向?yàn)樨?fù)；若P1〈P2則頻率位置在第kmax+l和第kmax條譜線之間，插值方向?yàn)檎?；SP1 =P2，則可以認(rèn)為FFT估計(jì)的頻率已經(jīng)足夠精準(zhǔn)，無需做插值運(yùn)算。
【文檔編號(hào)】H04L25/02GK104202273SQ201410469889
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年9月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月15日
【發(fā)明者】陳從顏, 陳智遠(yuǎn), 王煒, 邱實(shí) 申請人:東南大學(xué)