CN109490862B - 一种基于相位差分统计谱的载频估计方法 - Google Patents

一种基于相位差分统计谱的载频估计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于相位差分统计谱的载频估计方法，利用信号的瞬时相位信息，对瞬时相位进行N阶差分得到信号的瞬时频率的量化值，然后对量化后的瞬时频率进行直方图统计，得到频率与数量的对应关系即相位差分统计谱，最后依据相位差分统计谱设置门限查找峰值估计载波频率；统计谱可以准确的表达信号的频域特性，并且具有一定的抗噪声能力，相对于FFT来说需要的计算资源大大减少，便于硬件实现。

Description

一种基于相位差分统计谱的载频估计方法
技术领域
本发明属于电子侦察技术领域，具体涉及一种基于相位差分统计谱的载频估计方法。
背景技术
随着电磁环境的日益复杂，信号种类日益增多，脉冲的脉内调制方式作为目标的指纹特征对于现代电子侦察和电子对抗有着至关重要的意义，而脉内载频估计的实时性和准确性成为了脉内分析的重要部分。传统的载频估计是在频域进行估计，频域估计方法是通过FFT的方式得到信号的频谱分布再进行谱峰查找，该方法计算量较大，资源占用多，且实时性差，不能满足脉内实时分析的要求。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于相位差分统计谱的载频估计方法，可以减小计算量，满足实时脉内分析的要求，并且可以提高抗噪声能力。
一种基于相位差分统计谱的载频估计方法，包括如下步骤：
步骤1、提取侦察信号的脉内瞬时相位；
步骤2、对步骤1获得的脉内瞬时相位对瞬时进行1阶差分：当相位差分跳变值大于或等于π时，则对当前瞬时相位值减2π；当相位差分跳变值小于π时，则对当前瞬时相位值加2π，由此实现相位解缠；
步骤3、相位差分和频率量化，具体为：
S3.1、对步骤2解缠后的瞬时相位进行N阶差分，N的取值等于信号处理前端设置的抽取系数；
S3.2、对差分后的相位差值进行滑动平均处理；
S3.3、计算信号瞬时频率：
f＝Δθ(N)/2πNts (5)
其中，Δθ(N)为θ(t)N阶相位差，ts为信号处理前端对侦察信号的采样间隔；
S3.4、对瞬时频率f进行截断量化，得到：f′＝[α·f]；
其中，α为量化系数，其取值与信噪比成正比；[]表示四舍五入取整运算；
步骤4、频率统计：
将步骤3获得的瞬时频率值f′按照频率进行个数统计，形成X轴为频率、Y轴为各频点对应个数的统计谱；
步骤5、门限判决与谱峰搜索，具体为：
S5.1、将步骤4获得的统计谱进行最大值查找，找到的最大值为Ampmax,以统计谱最大值的一半，即将TH_B3＝Ampmax/2作为门限进行过门限频率个数统计；
S5.2、记录第一个过门限的频率值和最后一个过门限的频率值，并求两者之差作为3dB带宽B3；再统计脉内所有过门限点个数记为有效带宽Be；
S5.3、比较B3和Be：如果Be<β×B3,则认为该信号为多载频宽带信号，否则认为信号为真实宽带信号；其中β取值根据实际脉内量化精度选取；
S5.4、对过门限的统计谱进行3点滑窗谱峰搜索，并记录峰值点位置对应频率值：当S5.3判定为多载频宽带信号时，搜索到的所有峰值即为各个载波频率；当S5.3判定为真实宽带信号，需要根据首峰值和末峰值计算中心频点作为载波频率fc，由此完成载频估计。
较佳的，所述步骤1中，提取侦察信号的脉内瞬时相位的具体方法为：
S1.1、对侦察信号进行A/D采样，采样数据进行正交下变频后得到I和Q两路正交分量；
S1.2、使用CORDIC算法对I和Q信号进行瞬时相位和瞬时幅度的提取；
S1.3、通过恒虚警检测门限对瞬时幅度进行包络提取，输出脉冲对应的上升沿和下降沿，并提取上升沿和下降沿之间的脉内瞬时相位。
较佳的，所述步骤S3.2中，移位寄存器结合加法器实现对差分后的相位差值进行滑动平均处理。
本发明具有如下有益效果：
本发明提出的一种基于相位差分统计谱的载频估计方法，利用信号的瞬时相位信息，对瞬时相位进行N阶差分得到信号的瞬时频率的量化值，然后对量化后的瞬时频率进行直方图统计，得到频率与数量的对应关系即相位差分统计谱，最后依据相位差分统计谱设置门限查找峰值估计载波频率；统计谱可以准确的表达信号的频域特性，并且具有一定的抗噪声能力，相对于FFT来说需要的计算资源大大减少，便于硬件实现。
附图说明
图1为本发明的一种基于相位差分统计谱的载频估计流程图；
图2滑动平均模块实现框图；
图3频率统计硬件实现框图；
图4本发明应用于多载波信号后瞬时相位解缠前的仿真图；
图5本发明应用于多载波信号后瞬时相位解缠后的仿真图；
图6本发明应用于多载波信号后瞬时相位1阶差分后的仿真图；
图7本发明应用于多载波信号后瞬时相位1阶差分滑动平均的仿真图；
图8本发明应用于多载波信号后信号统计谱的仿真图；
图9本发明应用于多载波信号后频率估计均方根误差与SNR关系图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
如图1所示，本发明的一种基于相位差分统计谱的载频估计方法，包含以下步骤：
步骤1、信号瞬时相位和包络提取，具体包括：
S1.1、对侦察信号进行A/D采样，采样数据进行正交下变频后得到I和Q两路正交分量；假设输入信号为经过正交双通道处理后输出信号为：
其中，A表示信号的幅值，表示信号的相位，fc为正交双通道处理后输出的中心频率。XI(t)和XQ(t)构成解析信号为：
S1.2、使用CORDIC算法对I和Q信号进行瞬时相位和瞬时幅度的提取；信号瞬时相位可由公式(4)表示：
S1.3、通过恒虚警检测门限对瞬时幅度进行包络提取，输出脉冲对应的上升沿和下降沿，并提取上升沿和下降沿之间的脉内瞬时相位；
步骤2、瞬时相位解缠：
对瞬时相位进行1阶差分，当相位差分跳变值大于或等于π时则对当前瞬时相位值减2π，当相位差分跳变值小于π时，则对当前瞬时相位值加2π。
步骤3、相位差分和频率量化。
S3.1、对解缠后的瞬时相位进行N阶差分，N的取值等于信号处理前端设置的抽取系数，因为当采样率过高时需要对数据进行抽取以降低后续处理数据量。
S3.2、对差分后的相位差值进行M点滑动平均，以进行非相参累积提高信噪比，M的取值以能达到系统信噪比为目标；滑动平均模块实现方式如图2所示。滑动平均由M点移位寄存器和加法器构成，差分数据跟随时钟右移进入滑动平均模块，移位一次对每个寄存器的输出做加法，最后除以滑动平均点数得到每个点的滑动平均数据。
S3.3、计算瞬时频率，信号瞬时频率可根据下式计算
f＝Δθ(N)/2πNts (5)
其中，Δθ(N)为θ(t)相位差，N为两个采样点之间的采样点数，ts为采样间隔。
S3.4、对瞬时频率乘上量化系数α，α的取值与瞬时频率测量误差以及最终要求的频率估计精度有关，低信噪比情况下，噪声对瞬时频率造成的误差较大，α取较小值，以对消噪声波动；高信噪比情况下，α取较大值。
对瞬时频率f乘α取整，即
f′＝[α·f] (6)
其中，[]表示四舍五入取整运算。
步骤4、频率统计：
将步骤3输出的瞬时频率值按照频率进行个数统计，形成X轴为频率Y轴为各频点对应个数的统计谱，统计谱在硬件实现时可以放入RAM中存储，存储RAM的地址为实际频率加偏移量后的值(加偏移量是因为频率有负数，需要加上偏移量变为正数后才可以作为地址使用)，RAM存储的数据为各个频点对应的个数。硬件实现框图如图3所示。
步骤5、门限判决与谱峰搜索。
S5.1、将RAM中存储的统计谱进行最大值查找，找到的最大值为Ampmax,以统计谱最大值的一半即TH_B3＝Ampmax/2作为门限进行过门限频率个数。
S5.2、记录第一个过门限的频率值和最后一个过门限的频率值，并求两者之差作为B3(3dB带宽)。统计脉内所有过门限点个数记为Be(有效带宽)。
S5.3、比较B3和Be，假如Be<β×B3,其中β取值根据实际脉内量化精度选取，则认为该信号为多载频宽带信号，否则认为信号为真实宽带信号。
S5.4、对过门限的统计谱进行3点滑窗谱峰搜索，并记录峰值点位置对应频率值，对于多载频宽带信号，搜索到的所有峰值即为各个载波频率，对于真实宽带信号，需要根据首峰值和末峰值计算中心频点作为载波频率fc。
实施例：
应用本发明中的基于相位差分统计谱的方法对电子侦察中典型信号多载波信号进行载频估计，系统框图如图1所示。
信号为多载波信号，表达式如公式(7)所示。
其中fc(t)为频率调制函数，在此例中取770MHz，760MHz，790MHz，780MHz，子脉冲宽带为3us，脉宽为12us，信噪比设置为典型的检测信噪比值13dB，采样率1Gsps。按照系统框图实现步骤如下：
1.经过A/D采集后，与频率为750MHz的正交本振相乘，然后经过一个通带为50MHz的低通滤波器，得到信号为：
y(t)＝exp(i×2×π×(fc-fs)×t) (8)
2.提取正交数据的瞬时相位，并进行解缠后得到的相位表达式为：
2×π×(fc-fs)×t (9)
解缠前的仿真图如图4所示，解缠后的仿真图如图5所示。
3.对解缠后的瞬时相位进行1阶差分，差分后的仿真波形如图6所示。
4.对1阶差分数据进行64点滑动平均，以提高信噪比，滑动平均后的仿真波形如图7所示。
5.对滑动平均后的差分数据进行频率统计，频率量化间隔为0.25MHz，量化区间为-60MHz～60MHz，量化数组大小为(60-(-60))*4＝480，形成统计谱并存储，统计谱的仿真图如图8所示。
6.对统计谱进行峰值查找，峰值为988，则3dB门限为TH_B3＝494。将过门限频谱进行统计存储，得到B3＝122/4＝30.5MHz，Be＝2.75MHz，取β＝0.7，则Be<β*B3，判断信号为多载频宽带信号。对过门限统计谱进行3点滑窗谱峰搜索，找到符合amp(n)<amp(n+1)且amp(n+1)>amp(n+2)条件的点，即为峰值点。仿真数据得到峰值点为4个，频率为760MHz、770MHz、780MHz和790MHz，与预设信号相符。
7.将仿真信号在SNR＝-5dB～26dB之间进行频率估计误差统计，每个信噪比进行100次蒙特卡洛试验，得到的统计结果图如图9所示。
从图9中可以看出当信噪比高于2dB后，使用相位差分统计谱进行载频估计的均方根误差可以稳定在0.5MHz以下，信噪比低于2dB后，由于噪声影响了谱峰搜索的精度载频估计误差出现急剧恶化，所以低于2dB后次方法不再可靠。在电子侦察领域一般信道化后信噪比要高于13dB，测频精度一般要求均方根误差为≤0.5MHz，所以本发明中的载频估计方法可以达到工程应用条件适用于雷达信号的载频估计，并且方法中没有使用复杂计算，方便硬件实现。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于相位差分统计谱的载频估计方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、提取侦察信号的脉内瞬时相位；
步骤2、对步骤1获得的脉内瞬时相位对瞬时进行1阶差分：当相位差分跳变值大于或等于π时，则对当前瞬时相位值减2π；当相位差分跳变值小于π时，则对当前瞬时相位值加2π，由此实现相位解缠；
步骤3、相位差分和频率量化，具体为：
S3.1、对步骤2解缠后的瞬时相位进行N阶差分，N的取值等于信号处理前端设置的抽取系数；
S3.2、对差分后的相位差值进行滑动平均处理；
S3.3、计算信号瞬时频率：
f＝Δθ(N)/2πNts (5)
其中，Δθ(N)为信号瞬时相位θ(t)的N阶相位差，ts为信号处理前端对侦察信号的采样间隔；
S3.4、对瞬时频率f进行截断量化，得到：f′＝[α·f]；
其中，α为量化系数，其取值与信噪比成正比；[]表示四舍五入取整运算；
步骤4、频率统计：
将步骤3获得的瞬时频率值f′按照频率进行个数统计，形成X轴为频率、Y轴为各频点对应个数的统计谱；
步骤5、门限判决与谱峰搜索，具体为：
S5.1、将步骤4获得的统计谱进行最大值查找，找到的最大值为Ampmax,以统计谱最大值的一半，即将TH_B3＝Ampmax/2作为门限进行过门限频率个数统计；
S5.2、记录第一个过门限的频率值和最后一个过门限的频率值，并求两者之差作为3dB带宽B3；再统计脉内所有过门限点个数记为有效带宽Be；
S5.3、比较B3和Be：如果Be<β×B3,则认为该信号为多载频宽带信号，否则认为信号为真实宽带信号；其中β取值根据实际脉内量化精度选取；
S5.4、对过门限的统计谱进行3点滑窗谱峰搜索，并记录峰值点位置对应频率值：当S5.3判定为多载频宽带信号时，搜索到的所有峰值即为各个载波频率；当S5.3判定为真实宽带信号，需要根据首峰值和末峰值计算中心频点作为载波频率fc，由此完成载频估计。
2.如权利要求1所述的一种基于相位差分统计谱的载频估计方法，其特征在于，所述步骤1中，提取侦察信号的脉内瞬时相位的具体方法为：
S1.1、对侦察信号进行A/D采样，采样数据进行正交下变频后得到I和Q两路正交分量；
S1.2、使用CORDIC算法对I和Q信号进行瞬时相位和瞬时幅度的提取；
S1.3、通过恒虚警检测门限对瞬时幅度进行包络提取，输出脉冲对应的上升沿和下降沿，并提取上升沿和下降沿之间的脉内瞬时相位。
3.如权利要求1所述的一种基于相位差分统计谱的载频估计方法，其特征在于，所述步骤S3.2中，移位寄存器结合加法器实现对差分后的相位差值进行滑动平均处理。
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