CN109541531B - 一种降低频差对时间延迟估计影响的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种降低频差对时间延迟估计影响的方法，包括以下步骤：首先，获取时域信号y(n)的相位角，记作phase_y(n)，并进行初始赋值x0(n)＝x(n)，k0＝0，τ0＝0；然后，进行循环迭代运算，利用信号的时域相位进行比对，进行频差补偿，计算出不受频率分辨率限制的频差；最后，采用广义相关算法对频差补偿后的信号做相关，获取信号之间的时延估计值。本发明基于傅里叶变换频移特性进行频率补偿，可以对于远小于频率分辨率的频率误差进行有效补偿，不受频率分辨率对频差修正的限制，极大地提高了时延估计的精度。

Description

一种降低频差对时间延迟估计影响的方法
技术领域
本发明涉及测试技术领域，特别涉及一种降低频差对时间延迟估计影响的方法。
背景技术
TDOA(Time Difference Of Arrival)定位技术，同DOA(Direction Of Arrival)定位技术一样，是一种经典的无源定位方式，由于其量测的TDOA精度较DOA精度高，得到了广泛的研究和应用，其定位精度很大程度上取决于时延估计的精度。
在进行时延估计时，一般都是假设各接收机之间不存在频率差，即本振是完全相同的，认为中频信号之间不存在频率误差的影响。而在实际应用中，两台接收机难以保证本振频率的一致，因此信号之间存在着频率差，即使是远小于频率分辨率的频率误差，也可能对时延估计精度产生致命的影响，尤其降低了窄带信号和非幅度调制信号的时延估计精度，导致信号的时延估计误差很大甚至时延估计的失效。
现有的频差修正方法，主要通过频域相关函数对频差做准确估计和补偿，对补偿后的信号做时延估计。当频差小于离散傅立叶变换的频率分辨率时，无法估计两路信号的频差，进而不能做频差补偿并基于频差补偿进行时延估计。
发明内容
本发明提出了一种降低频差对时间延迟估计影响的方法，利用信号的时域相位进行比对，计算出不受频率分辨率限制的频差，基于频差补偿，有效的提高信号时延的估计精度。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种降低频差对时间延迟估计影响的方法，两台接收机分别接收来自同一个辐射源发射的信号，接收的信号分别是x(n)和y(n)，x(n)和y(n)的关系表示为：
y(n)＝Ax(n-τ)e-jΔw(n-τ)
其中，A表示归一化的幅度比值，Δw表示本振不一致造成的两信号之间的频差，τ表示时间延迟；
包括以下步骤：
首先，获取时域信号y(n)的相位角，记作phase_y(n)，并进行初始赋值x0(n)＝x(n)，k0＝0，τ0＝0；
然后，进行循环迭代运算，利用信号的时域相位进行比对，进行频差补偿，计算出不受频率分辨率限制的频差；
最后，采用广义相关算法对频差补偿后的信号做相关，获取信号之间的时延估计值。
可选地，所述迭代运算的过程包括以下步骤：
步骤(a)，对信号xi(n)的频谱进行校正，校正公式为：
Figure BDA0001875828790000021
反傅里叶变换得到新的xi(n)；
步骤(b)，获取时域信号xi(n)的相位角，表示为phase_xi(n)；
步骤(c)，计算y(n)的相位角和xi(n)的相位角之间的相位差：phase_errori(n)＝phase_y(n)-phase_xi(n)；
步骤(d)，剔除phase_errori(n)中奇异点，表示为phase_ERRi(n)；
步骤(e)，对phase_ERRi(n)进行线性拟合，得到拟合直线的斜率ki；
步骤(f)，对信号xi(n)进行频差校正：
Figure BDA0001875828790000031
步骤(g)，计算xi(n)和y(n)的时差τi；
步骤(h)，重复上述步骤(a)-步骤(g)，获得最终的时差为：
Figure BDA0001875828790000032
其中，Num表示循环迭代的次数，ki表示相位差的拟合斜率。
本发明的有益效果是：
基于傅里叶变换频移特性进行频率补偿，可以对于远小于频率分辨率的频率误差进行有效补偿，不受频率分辨率对频差修正的限制，极大地提高了时延估计的精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种降低频差对时间延迟估计影响的方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
两台接收机A和B分别接收来自同一个辐射源发射的信号，接收的信号分别是x(n)和y(n)。在实际工程应用中，接收机一般以IQ数据的形式给出接收信号，因此，在处理过程中，主要针对复数数据进行处理。
如果不考虑噪声的影响，x(n)和y(n)的关系可以表示为：
y(n)＝Ax(n-τ)e-jΔw(n-τ)
其中，A表示归一化的幅度比值，Δw表示本振不一致造成的两信号之间的频差，τ表示时间延迟。为了对时间延迟进行有效的估计，需要对Δw进行有效的补偿，从而消除频差的影响。
为了消除频差的影响，如图1所示，本发明提出了一种降低频差对时间延迟估计影响的方法，包括以下步骤：
首先，获取时域信号y(n)的相位角，记作phase_y(n)，并进行初始赋值x0(n)＝x(n)，k0＝0，τ0＝0。x(n)表示原始数据序列，赋值给x0(n)，下次更新赋值给x1(n)，继续迭代，赋值给xi(n)，xi(n)表示对序列x(n)进行第i次修正后得到的序列，i＝0,1,2,….。
然后，进行循环迭代运算，利用信号的时域相位进行比对，进行频差校正，计算出不受频率分辨率限制的频差。
最后，采用广义相关算法对频差校正后的信号做相关，获取信号之间的时延估计值。
所述迭代运算的过程包括以下步骤：
步骤(a)，对信号xi(n)的频谱进行校正，校正公式为：
Figure BDA0001875828790000041
反傅里叶变换得到新的时域信号xi(n)。xi(n)表示对序列x(n)进行第i次修正后得到的序列；i＝0,1,2,…。Fi(w)表示序列xi(n)的傅里叶变换。
步骤(b)，获取新的时域信号xi(n)的相位角，表示为phase_xi(n)。
步骤(c)，计算时域信号y(n)的相位角和时域信号xi(n)的相位角之间的相位差：phase_errori(n)＝phase_y(n)-phase_xi(n)。
步骤(d)，剔除phase_errori(n)中奇异点，此时表示为phase_ERRi(n)。
步骤(e)，对phase_ERRi(n)进行线性拟合，得到拟合直线的斜率ki。
步骤(f)，对信号xi(n)进行频差校正：
Figure BDA0001875828790000051
步骤(g)，计算xi(n)和y(n)的时差τi。
步骤(h)，重复上述步骤(a)-步骤(g)，获得最终的时差为：
Figure BDA0001875828790000052
其中，Num表示循环迭代的次数，ki表示相位差的拟合斜率。每一次迭代都对x(n)做一次纠正，采用预先设置的Num次迭代基本可以消除信号之间的频差。
上述迭代过程步骤(e)得到的线性拟合表达式是:phase_ERRi(n)＝kin+b,其中b表示拟合直线与y轴的交点，ki表示斜率，该斜率对应两接收机之间的频差，由相位拟合曲线得到，因而不受频率分辨率的影响。
本发明与目前频差修正方法相比，主要基于傅里叶变换频移特性进行频率校正，可以对于远小于频率分辨率的频率误差进行有效补偿，不受频率分辨率对频差修正的限制，极大地提高了时延估计的精度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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 (1)

1.一种降低频差对时间延迟估计影响的方法，其特征在于，两台接收机分别接收来自同一个辐射源发射的信号，接收的信号分别是x(n)和y(n)，x(n)和y(n)的关系表示为：
y(n)＝Ax(n-τ)e-jΔw(n-τ)
其中，A表示归一化的幅度比值，Δw表示本振不一致造成的两信号之间的频差，τ表示时间延迟；
包括以下步骤：
首先，获取时域信号y(n)的相位角，记作phase_y(n)，并进行初始赋值x0(n)＝x(n)，k0＝0，τ0＝0；
然后，进行循环迭代运算，利用信号的时域相位进行比对，进行频差补偿，计算出不受频率分辨率限制的频差；
最后，采用广义相关算法对频差补偿后的信号做相关，获取信号之间的时延估计值；
所述迭代运算的过程包括以下步骤：
步骤(a)，对信号xi(n)的频谱进行校正，校正公式为：
Figure FDA0002535379050000011
反傅里叶变换得到新的时域信号xi(n)；xi(n)表示对序列x(n)进行第i次修正后得到的序列；i＝0,1,2,…；Fi(w)表示序列xi(n)的傅里叶变换；
步骤(b)，获取新的时域信号xi(n)的相位角，表示为phase_xi(n)；
步骤(c)，计算时域信号y(n)的相位角和时域信号xi(n)的相位角之间的相位差：phase_errori(n)＝phase_y(n)-phase_xi(n)；
步骤(d)，剔除phase_errori(n)中奇异点，表示为phase_ERRi(n)；
步骤(e)，对phase_ERRi(n)进行线性拟合，得到拟合直线的斜率ki；
步骤(f)，对信号xi(n)进行频差校正：
Figure FDA0002535379050000021
步骤(g)，计算xi(n)和y(n)的时差τi；
步骤(h)，重复上述步骤(a)-步骤(g)，获得最终的时差为：
Figure FDA0002535379050000022
其中，Num表示循环迭代的次数，ki表示相位差的拟合斜率；每一次迭代都对x(n)做一次纠正；
迭代过程步骤(e)得到的线性拟合表达式是:phase_ERRi(n)＝kin+b，其中b表示拟合直线与y轴的交点，ki表示斜率，该斜率对应两接收机之间的频差，由相位拟合曲线得到。
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