CN111458563B

CN111458563B - 一种双谱线幅度测量信号频偏的方法及装置

Info

Publication number: CN111458563B
Application number: CN202010146293.XA
Authority: CN
Inventors: 熊军; 杨林; 鮑君海; 王雪松; 郑世明
Original assignee: Xi'an Yufei Electronic Technology Co ltd
Current assignee: Xi'an Yufei Electronic Technology Co ltd
Priority date: 2020-03-05
Filing date: 2020-03-05
Publication date: 2023-06-16
Anticipated expiration: 2040-03-05
Also published as: CN111458563A

Abstract

本申请公开一种双谱线幅度测量信号频偏的方法及装置。所述方法包括设置双谱线频偏估计的变量初值；对输入信号进行FFT运算，求得频谱最大数值及其位置；当实际频率接近最大谱线时，利用频移技术将信号频谱向左或向右移动量化单元；对频率进行中心估值，完成频率索引取值，得到准确的频偏测量数值。采用本申请提供的双谱线幅度测量信号频偏的方法及装置，使估计频率尽量接近‑Rife算法的两根相邻谱线中心之后再进行估计，可以实现在全频段取得良好的频率估计性能。

Description

一种双谱线幅度测量信号频偏的方法及装置

技术领域

本申请涉及通信技术领域，尤其涉及一种双谱线幅度测量信号频偏的方法及装置。

背景技术

正弦信号频率、相位的估计是信号处理和估计领域的一个重要问题和研究热点，在通信、雷达、声纳以及电子对抗和连线干涉测量(CEI)、甚长基线干涉测量(VLBI)等高精度测量体制中有着重要应用。国内外学者已针对时域处理和频域处理提出了很多方法。提出了线性预测频率算法，在时域进行频率估计，但需要较高的信噪比才能保证估计精度。随着DSP技术的迅速发展，基于DFT的参数估计方法得到广泛研究。后来又提出了基于相位差校正的频率、相位估计方法，即将一个信号的采样序列分为两段，分别做DFT，然后通过两段DFT变换序列谱线峰值处的相位差估计信号的频率和相位。这种方法避免了相位解模糊的过程，但由于栅栏效应的影响，当频率位于整数倍DFT频率分辨率附近时，分段数据DFT频谱主瓣内有两条幅度相当的谱线，使得估计结果在噪声的作用下会出现较大误差。通过人为增加频移对FFT相位差算法进行了改进，降低了噪声敏感频率区的估计误差，但该频率区域的估计性能仍相对较差。通过结合Candan算法与DFT算法，避开了FFT栅栏效应，在高信噪比条件下取得了较高的估计精度。Rife算法利用信号频谱主瓣内的两条或多条谱线，有效解决了DFT栅栏效应的影响，实现了较高的估计精度，但是它们在频率偏差较小时估计误差较大。针对该问题，文献[邓振淼,刘渝,王志忠.正弦波频率估计的修正Rife算法[J].数据采集与处理,2006,21(4):473–477.]提出了Rife算法的改进算法(M-Rife法)，其基本原理是首先利用Rife算法进行频率估计，若频率估计位于定义的中心区域内，则估计完成；否则对原始信号进行频移，并再次应用Rife算法，其中频移方向由原信号频谱决定，容易出现错误。文献[徐磊,陈永森.一种适用于低信噪比条件的高精度频率估计方法[J].舰船电子对抗,2015,38(6):29–32.]将频率估计区间分为若干段，分别采用Rife算法和Quinn算法处理，使整个频率区间保持较高的频率估计精度。

综上所述，为消除FFT栅栏效应影响，主要采用以下三种方式：①划分频率区间，并采用不同算法处理；②变换FFT长度，通过多次估计改变栅栏效应；③人为增加频移，避开栅栏效应区间。

发明内容

本申请提供了一种双谱线幅度测量信号频偏的方法，包括：

设置双谱线频偏估计的变量初值；

对输入信号进行FFT运算，求得频谱最大数值及其位置；

当实际频率接近最大谱线时，利用频移技术将信号频谱向左或向右移动量化单元；

对频率进行中心估值，完成频率索引取值，得到准确的频偏测量数值。

如上所述的双谱线幅度测量信号频偏的方法，其中，设置双谱线频偏估计的变量初值，具体包括如下子步骤；

信号同步，同步信号去除调制信息；

根据最大的频偏和频率颗粒度设置频率点个数；

根据信噪比SNR和扫描的最小精度要求，设置迭代循环个数；

对去除调制信息的信号进行多个连续点叠加,得到双谱线频偏估计初值。

如上所述的双谱线幅度测量信号频偏的方法，其中，对输入信号进行FFT运算，求得频谱最大数值及其位置，具体包括如下子步骤：

对输入信号{x_in(n)}进行FFT运算X＝FFT{x_in(n)}，求得频谱最大值位置m0和左右相邻位置m0-1、m0+1，及其各自谱值|Xm0|，|Xm0–1|和|Xm0+1|；

判断频偏最大值位置m0是否大于fn/2，如果是，则表示频谱最大值位置m0代表的频偏为负频偏，设置m_index2＝m0、m_index1＝m0-1；否则表示频谱最大值位置m0代表的频偏为正频偏，设置m_index1＝m0、m_index2＝m0+1。

如上所述的双谱线幅度测量信号频偏的方法，其中，利用频移技术将信号频谱向左或向右移动量化单元，具体包括如下子步骤：

A、判断m_index1所指向的频谱数值是否大于m_index2所指向的频谱数值，如果是，则设置调节方向R(k)＝1，否则设置调节方向R(k)＝-1；

B、根据调节方向R(k)和循环位置k设置调节的NCO数值和方向；

C、对输入信号进行频率调节，然后对频率调节结果进行FFT运算，得到新的信号；

D、更新循环位置k，计算迭代次数是否大于最大迭代次数，如果是，则完成最大频谱调节，否则返回执行A。

如上所述的双谱线幅度测量信号频偏的方法，其中，对频率进行中心估值，完成频率索引取值，具体包括如下子步骤：

设置频率索引为最大索引位置增加0.5；

计算小数索引位置，根据小数索引位置得到最终的频偏数值。

本申请还提供一种双谱线幅度测量信号频偏的装置，包括：

设置模块，用于设置双谱线频偏估计的变量初值；

FFT运算模块，用于对输入信号进行FFT运算，求得频谱最大数值及其位置；

信号频谱移动模块，用于当实际频率接近最大谱线时，利用频移技术将信号频谱向左或向右移动量化单元；

频偏测量模块，用于对频率进行中心估值，完成频率索引取值，得到准确的频偏测量数值。

如上所述的双谱线幅度测量信号频偏的装置，其中，所述设置模块，具体用于信号同步，同步信号去除调制信息；根据最大的频偏和频率颗粒度设置频率点个数；根据信噪比SNR和扫描的最小精度要求，设置迭代循环个数；对去除调制信息的信号进行多个连续点叠加,得到双谱线频偏估计初值。

如上所述的双谱线幅度测量信号频偏的装置，其中，FFT运算模块具体用于对输入信号{x_in(n)}进行FFT运算X＝FFT{x_in(n)}，求得频谱最大值位置m0和左右相邻位置m0-1、m0+1，及其各自谱值|Xm0|，|Xm0–1|和|Xm0+1|；判断频偏最大值位置m0是否大于fn/2，如果是，则表示频谱最大值位置m0代表的频偏为负频偏，设置m_index2＝m0、m_index1＝m0-1；否则表示频谱最大值位置m0代表的频偏为正频偏，设置m_index1＝m0、m_index2＝m0+1。

如上所述的双谱线幅度测量信号频偏的装置，其中，信号频谱移动模块具体用于判断m_index1所指向的频谱数值是否大于m_index2所指向的频谱数值，如果是，则设置调节方向R(k)＝1，否则设置调节方向R(k)＝-1；根据调节方向R(k)和循环位置k设置调节的NCO数值和方向；对输入信号进行频率调节，然后对频率调节结果进行FFT运算，得到新的信号；更新循环位置k，循环进行迭代处理，直至迭代次数大于最大迭代次数。

如上所述的双谱线幅度测量信号频偏的装置，其中，频偏测量模块具体用于设置频率索引为最大索引位置增加0.5；计算小数索引位置，根据小数索引位置得到最终的频偏数值。

本申请实现的有益效果如下：采用本申请提供的双谱线幅度测量信号频偏的方法及装置，使估计频率尽量接近-Rife算法的两根相邻谱线中心之后再进行估计，可以实现在全频段取得良好的频率估计性能。

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中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请实施例一提供的双谱线幅度测量信号频偏的方法流程图；

图2是双线幅度算法(I-RIFE)估计频偏串行结构图；

图3是I-RIFE算法和差分相位差计算频偏的性能对比图。

具体实施方式

下面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。

实施例一

本申请实施例一提供一种双谱线幅度测量信号频偏的方法，如图1所示，包括：

步骤110、设置双谱线频偏估计的变量初值；

本申请实施例中，设置双谱线频偏估计的变量初值具体包括如下子步骤：

步骤111、信号同步，同步信号去除调制信息；

具体地，对接收信号通过匹配滤波器(匹配滤波系数是伪随机码的倒序)进行相关累加，找出相关峰值，并与阈值比较，若超过阈值，则捕获到同步码相位，在码相位对齐的基础上，接收的导频与本地PN码共轭相乘，去除同步码的调制信息，得到xm0，用于后面的频偏估计。

步骤112、根据最大的频偏和频率颗粒度设置频率点个数；

具体地，根据移动台的移动速度v以及本振flo，计算得到多普勒频移大小doppler_freq＝v/c*fl0，并根据多普勒频移和本振漂移情况设置最大频偏fmax＝doppler_freq+fmove；

其中，频率颗粒度为detf(Δf)，Δf根据系统的采样速率fs以及用于同步的点数N决定，其中，Δf＝fs/N，如果fs＝40MHz，N＝16384点，得到

如果最大频偏fmax＝+-18KHZ，那么一共需要的采样点即频率点个数/>

步骤113、根据信噪比SNR和扫描的最小精度要求，设置迭代循环个数；

具体地，根据系统要求设置整数的频偏颗粒度Δf＝fs/N，由于该频偏粒度对于系统太大，因此需要进一步降低频偏大小，通过循环迭代降低频偏测量数值：minΔf＝Δf/2^sn，如果sn＝5,这样频偏测量的精度可以降低到1/2^5＝1/32，按照上面的整数频偏颗粒度

所得频率精度即可满足系统需求。

步骤114、对去除调制信息的信号进行多个连续点叠加,得到双谱线频偏估计初值；

具体地，如果同步信号长度N，同时需要的点数是fn＝16,这样就可以进行np＝N/fn个连续的点叠加，例如N＝16384，fn＝16，那么np＝1024，也就是连续1024个点叠加，这样可以增强抗噪声能力db＝10*log10(np)＝30dB的抗噪声能力，由此在降低系统复杂度的同时，抗噪声能力保持不变。

返回参见图1，步骤120、对输入信号进行FFT运算，求得频谱最大数值及其位置；

具体地，对输入信号{x_in(n)}进行FFT运算X＝FFT{x_in(n)}，求得频谱最大值位置m0和左右相邻位置m0+1、m0-1，及其各自谱值|Xm0|，|Xm0+1|和|Xm0–1|，判断频偏最大值位置m0是否大于fn/2，如果是，则表示频谱最大值位置m0代表的频偏为负频偏，设置m_index2＝m0、m_index1＝m0-1；否则表示频谱最大值位置m0代表的频偏为正频偏，设置m_index1＝m0、m_index2＝m0+1，即设置的m_index1始终在m_index2的左端。

步骤130、当实际频率接近最大谱线时，利用频移技术将信号频谱向左或向右移动量化单元；

其中，利用频移技术将信号频谱向左或向右移动量化单元，具体包括如下子步骤：

步骤131、判断m_index1所指向的频谱数值是否大于m_index2所指向的频谱数值，如果是，则设置调节方向R(k)＝1，否则设置调节方向R(k)＝-1；

步骤132、根据调节方向R(k)和循环位置k设置调节的NCO数值和方向；

具体地，通过下式调节NCO数值和方向：nco＝exp(R(k)*1i*2*pi*((1:fn)'/fn)/2^k)；

步骤133、对输入信号进行频率调节，然后对频率调节结果进行FFT运算，得到新的信号；

具体地，通过下式x_in(n)＝x_in(n)*nco对输入信号进行调节，然后对频率调节结果x_in(n)进行FFT运算：X＝FFT({x_in(n)})，得到新的信号X；

步骤134、更新循环位置k，计算迭代次数是否大于最大迭代次数，如果是，则完成最大频谱调节，否则返回步骤131；

在得到新的信号X之后，继续使迭代次数k加一，即k＝k+1，在继续进行频率调节，再进行FFT运算，直至迭代次数大于最大迭代次数则跳出循环，完成最大频谱的调节。

返回参见图1，步骤140、对频率进行中心估值，完成频率索引取值，得到准确的频偏测量数值；

其中，对频率进行中心估值，完成频率索引取值，具体包括如下子步骤：

步骤141、设置频率索引为最大索引位置增加0.5；

具体地，将最大索引位置增加0.5之后，得到下式：

步骤142、计算小数索引位置，根据小数索引位置得到最终的频偏数值；

具体地，计算小数索引位置

然后根据小数索引位置得到最终的频偏数值Foe＝(freq_index-1)*fs/N。

对上述双谱线幅度测量信号频偏的方法进行变动，得到如图2所示的串行结构图，每一级都有各自的调节方向和大小，最后一级完成后即完成频偏测量，即频偏测量与测量精度和级数相关；根据图2所示的串行结构图实现性能仿真，举例如下：

信号采样速率fs＝40MHZ,信号的采样点数N＝16384，得到

连续叠加的点数np＝1024点，那么参与FFT计算的点数fftsize＝16384/1024＝16，采样信号snr＝-15dB，设置频偏ferr＝4KHZ

其中round()含义是四舍五入，就近取整；

信号按照实施例一的流程计算索引位置mindex1＝3，中间的频率索引Freq_index＝3.5，迭代10次后R(k)取整是R(k)＝[1 1 1 1 -1 -1 1 1 -1 -1]，迭代计算freq_index＝freq_index-R(k)*(1/2)^k，得到Freqindex＝2.6，最终频偏计算数值foe_freq(1)＝(freq_index-1)*fs/N＝(2.6-1)*40e6/16384＝3.906,此时计算的误差在SNR＝-15dB下只有不到100HZ，满足系统要求。

图3展示了I-RIFE算法和通过差分相位差计算频偏的性能，从上图可以看出来明显好于差分相关算法。

本申请还提供一种双谱线幅度测量信号频偏的装置，包括：

设置模块，用于设置双谱线频偏估计的变量初值；

其中，所述设置模块，具体用于信号同步，同步信号去除调制信息；根据最大的频偏和频率颗粒度设置频率点个数；根据信噪比SNR和扫描的最小精度要求，设置迭代循环个数；对去除调制信息的信号进行多个连续点叠加,得到双谱线频偏估计初值。

作为本申请可选实施例，FFT运算模块具体用于对输入信号{x_in(n)}进行FFT运算X＝FFT{x_in(n)}，求得频谱最大值位置m0和左右相邻位置m0-1、m0+1，及其各自谱值|Xm0|，|Xm0–1|和|Xm0+1|；判断频偏最大值位置m0是否大于fn/2，如果是，则表示频谱最大值位置m0代表的频偏为负频偏，设置m_index2＝m0、m_index1＝m0-1；否则表示频谱最大值位置m0代表的频偏为正频偏，设置m_index1＝m0、m_index2＝m0+1。

作为本申请另一可选实施例，信号频谱移动模块具体用于判断m_index1所指向的频谱数值是否大于m_index2所指向的频谱数值，如果是，则设置调节方向R(k)＝1，否则设置调节方向R(k)＝-1；根据调节方向R(k)和循环位置k设置调节的NCO数值和方向；对输入信号进行频率调节，然后对频率调节结果进行FFT运算，得到新的信号；更新循环位置k，循环进行迭代处理，直至迭代次数大于最大迭代次数。

作为本申请又一可选实施例，频偏测量模块具体用于设置频率索引为最大索引位置增加0.5；计算小数索引位置，根据小数索引位置得到最终的频偏数值。

以上所述实施例，仅为本申请的具体实施方式，用以说明本申请的技术方案，而非对其限制，本申请的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请实施例技术方案的精神和范围。都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种双谱线幅度测量信号频偏的方法，其特征在于，包括：

设置双谱线频偏估计的变量初值，具体包括如下子步骤：

信号同步，同步信号去除调制信息；

根据最大的频偏和频率颗粒度设置频率点个数，

如果最大频偏fmax＝+-18KHZ，那么一共需要的采样点即频率点个数

根据信噪比SNR和扫描的最小精度要求，设置迭代循环个数；

对去除调制信息的信号进行多个连续点叠加,得到双谱线频偏估计初值；

对输入信号进行FFT运算，求得频谱最大数值及其位置，具体包括如下子步骤：

判断频偏最大值位置m0是否大于fn/2，如果是，则表示频谱最大值位置m0代表的频偏为负频偏，设置m_index2＝m0、m_index1＝m0-1；否则表示频谱最大值位置m0代表的频偏为正频偏，设置m_index1＝m0、m_index2＝m0+1；

2.如权利要求1所述的双谱线幅度测量信号频偏的方法，其特征在于，利用频移技术将信号频谱向左或向右移动量化单元，具体包括如下子步骤：

B、根据调节方向R(k)和循环位置k设置调节的NCO数值和方向；

3.如权利要求1所述的双谱线幅度测量信号频偏的方法，其特征在于，对频率进行中心估值，完成频率索引取值，具体包括如下子步骤：设置频率索引为最大索引位置增加0.5；

4.一种双谱线幅度测量信号频偏的装置，其特征在于，包括：

设置模块，用于设置双谱线频偏估计的变量初值；所述设置模块具体用于信号同步，同步信号去除调制信息；根据最大的频偏和频率颗粒度设置频率点个数；根据信噪比SNR和扫描的最小精度要求，设置迭代循环个数；对去除调制信息的信号进行多个连续点叠加,得到双谱线频偏估计初值；其中，根据移动台的移动速度v以及本振flo，计算得到多普勒频移大小doppler_freq＝v/c*fl0，并根据多普勒频移和本振漂移情况设置最大频偏fmax＝doppler_freq+fmove；其中，频率颗粒度为detf(Δf)，Δf根据系统的采样速率fs以及用于同步的点数N决定，其中，Δf＝fs/N，如果fs＝40MHz，N＝16384点，得到

FFT运算模块，用于对输入信号进行FFT运算，求得频谱最大数值及其位置；所述FFT运算模块具体用于对输入信号{x_in(n)}进行FFT运算X＝FFT{x_in(n)}，求得频谱最大值位置m0和左右相邻位置m0-1、m0+1，及其各自谱值|Xm0|，|Xm0–1|和|Xm0+1|；判断频偏最大值位置m0是否大于fn/2，如果是，则表示频谱最大值位置m0代表的频偏为负频偏，设置m_index2＝m0、m_index1＝m0-1；否则表示频谱最大值位置m0代表的频偏为正频偏，设置m_index1＝m0、m_index2＝m0+1；

5.如权利要求4所述的双谱线幅度测量信号频偏的装置，其特征在于，信号频谱移动模块具体用于判断m_index1所指向的频谱数值是否大于m_index2所指向的频谱数值，如果是，则设置调节方向R(k)＝1，否则设置调节方向R(k)＝-1；根据调节方向R(k)和循环位置k设置调节的NCO数值和方向；对输入信号进行频率调节，然后对频率调节结果进行FFT运算，得到新的信号；更新循环位置k，循环进行迭代处理，直至迭代次数大于最大迭代次数。

6.如权利要求4所述的双谱线幅度测量信号频偏的装置，其特征在于，频偏测量模块具体用于设置频率索引为最大索引位置增加0.5；计算小数索引位置，根据小数索引位置得到最终的频偏数值。