一种基于最小幅度差策略的正弦波信号频率估计方法

本发明涉及到雷达通信和电子对抗中的信号估计与识别，具体是一种基于最小幅度差策略的正弦波信号频率估计方法。

背景技术：

1、加性高斯白噪声中正弦信号的频率估计是雷达通信和电子对抗领域等许多领域的经典问题，该技术广泛应用于通信和雷达信号估计识别处理领域。因此，在该领域中信号频率的准确和快速估计具有重大意义。

2、传统的基于离散傅里叶变换的频率估计方法主要集中在低信噪比下的高精度频率估计。但是在估计不同频率正弦波信号时，估计精度可能会有显著差异，从而导致性能不稳定。而通过频谱搬移或迭代估计来获得更好的稳定性又不可避免地增加了计算复杂度。

技术实现思路

1、本发明针对估计正弦波信号频率时，需要通过频谱搬移或迭代估计等方法以增加计算复杂度为代价来提高频率估计精度和稳定性的问题，提供了一种基于最小幅度差策略的正弦波信号频率估计方法。

2、为了以较低的计算复杂度提高对加性高斯白噪声中正弦信号频率估计的精度和稳定性，本发明通过最小幅度差策略选择抗噪声能力更强的双谱线进行频率估计来提高不同频率信号的估计精度。

3、本发明一种基于最小幅度差策略的正弦波信号频率估计方法，包括如下步骤：

4、(1)接收正弦波信号，对接收到的正弦波信号进行快速傅里叶变换得到信号离散谱线；

5、(2)查找信号离散谱的峰值谱线及相邻谱线的位置和幅值；

6、(3)在信号离散谱线的峰值谱线及其相邻谱线的中间位置插值两根谱线；

7、(4)比较正弦波接收信号两根插值谱线的幅值大小，判断正弦波信号频率分数倍频率偏移的正负，根据分数倍频率偏移的正负性将峰值谱线、相邻谱线及插值谱线两两分组作差；

8、(5)选择最小幅度差的双谱线作为参考谱线，根据所选的参考谱线组合使用不同的比值方程来估计分数倍的频率偏移；

9、(6)根据谱峰位置和估计得到的分数倍频率偏移，计算得到正弦波信号的估计频率。

10、进一步地，在步骤(1)中，设发射的正弦波信号为s(n)，其中a为信号幅值，θ为信号初相，ts为采样周期，n为信号采样点数，f0为信号的真实频率；

11、设接收到的正弦波信号为r(n)，r(n)＝s(n)+w(n)，其中w(n)是复高斯噪声，通过对接收到的正弦波信号进行快速傅里叶变换得到离散谱线。

12、进一步地，步骤(2)所述查找信号离散谱的峰值谱线及相邻谱线的位置和幅值，正弦波信号频率由整数部分和分数倍频率偏移构成，将信号离散谱的峰值位置p设为正弦波信号频率的整数部分，设分数倍频率偏移为x，范围为-0.5≤x≤0.5；

13、正弦波信号的真实频率f0＝(p+x)δf，其中δf＝1/(nts)表示频率分辨率；

14、设发射的正弦波信号的离散谱峰值位置p处的幅值为s0，其相邻谱线p-1处和p+1处的幅值分别为s-1和s+1；

15、设接收到的正弦波信号的离散谱峰值位置p处的幅值为r0，其相邻谱线p-1处和p+1处的幅值分别为r-1和r+1。

16、进一步地，步骤(3)所述在信号谱线的峰值谱线及其相邻谱线的中间位置p-0.5处和p+0.5处插值两根谱线，正弦波发射信号两根插值谱线p-0.5处和p+0.5处的幅值分别为s-0.5和s+0.5；

17、正弦波接收信号两根插值谱线p-0.5处和p+0.5处的幅值分别为r-0.5和r+0.5。

18、进一步地，步骤(4)所述比较正弦波接收信号两根插值谱线的幅值大小，即比较r+0.5和r-0.5的大小，判断x的正负，若r+0.5≥r-0.5，则x≥0，若r+0.5＜r-0.5，则x＜0；

19、所述根据x的正负性将峰值谱线、相邻谱线及插值谱线两两分组作差，具体是：若x≥0，比较|r0-r+0.5|、|r0-r+1|、|r+0.5-r-0.5|的大小；

20、若x＜0，比较|r0-r-0.5|、|r0-r-1|、|r+0.5-r-0.5|的大小。

21、进一步地，步骤(5)所述选择最小幅度差的双谱线作为参考谱线，根据所选的参考谱线组合使用不同的比值方程来估计分数倍的频率偏移，具体方法是：

22、若|r0-r+0.5|或|r0-r-0.5|最小，代入r±0.5和r0到估计方程最后，采用牛顿-拉夫逊方法求解方程得到估计值

23、若|r0-r+1|或|r0-r-1|最小，代入r±1和r0到公式即得到估计值

24、若|r+0.5-r-0.5|最小，代入r±0.5到公式即得到估计值

25、进一步地，步骤(6)所述根据谱峰位置p和估计得到的得到正弦波信号的估计频率

26、cn116449098a低信噪比下的正弦波信号频率估计方法，采用快速傅里叶变换算法计算接收到的正弦波信号的离散谱线；根据离散谱线中峰值谱线的两侧谱线估计出正弦波信号的频率；对估计出的频率进行加权，得到低信噪比下的正弦波信号实际的频率估值。本发明正弦波信号频率估计方法，需要对峰值旁边在进行两个频点的插值或者说要额外多做两个频点的估计；基于额外插值的频点与原本的频点进行一个谱线选择，这个谱线选择很重要，可有效进一步地提升可靠性。

27、本发明正弦波信号频率估计方法，可同时兼具良好的频率估计精度和稳定性，以及较低的计算复杂度。

技术特征：

1.一种基于最小幅度差策略的正弦波信号频率估计方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的正弦波信号频率估计方法，其特征在于：

3.根据权利要求2所述的正弦波信号频率估计方法，其特征在于：步骤(2)所述查找信号离散谱的峰值谱线及相邻谱线的位置和幅值，正弦波信号频率由整数部分和分数倍频率偏移构成，将信号离散谱的峰值位置p设为正弦波信号频率的整数部分，设分数倍频率偏移为x，范围为-0.5≤x≤0.5；

4.根据权利要求3所述的正弦波信号频率估计方法，其特征在于：步骤(3)所述在信号谱线的峰值谱线及其相邻谱线的中间位置p-0.5处和p+0.5处插值两根谱线，正弦波发射信号两根插值谱线p-0.5处和p+0.5处的幅值分别为s-0.5和s+0.5；

5.根据权利要求4所述的正弦波信号频率估计方法，其特征在于：步骤(4)所述比较正弦波接收信号两根插值谱线的幅值大小，即比较r+0.5和r-0.5的大小，判断x的正负，若r+0.5≥r-0.5，则x≥0，若r+0.5<r-0.5，则x<0；

6.根据权利要求5所述的正弦波信号频率估计方法，其特征在于：步骤(5)所述选择最小幅度差的双谱线作为参考谱线，根据所选的参考谱线组合使用不同的估计方程来估计分数倍的频率偏移，具体方法是：

7.根据权利要求6所述的正弦波信号频率估计方法，其特征在于：步骤(6)所述根据谱峰位置p和估计得到的得到正弦波信号的估计频率

技术总结
本发明公开了一种基于最小幅度差策略的正弦波频率估计方法，包括：接收正弦波信号，对接收到的正弦波信号进行快速傅里叶变换得到离散谱线；查找信号离散谱的峰值谱线及相邻谱线的位置和幅值；并在信号离散谱线的峰值谱线及其相邻谱线的中间位置插值两根谱线；从峰值谱线、相邻谱线及插值谱线中选择最小幅度差的双谱线作为参考谱线，根据所选的参考谱线构建比值方程估计出频率。本发明通过最小幅度差策略选择抗噪声能力更强的双谱线进行频率估计，来提高不同频率信号的估计精度，可同时兼具良好的频率估计精度和稳定性，以及较低的计算复杂度。

技术研发人员：郑霖,李世洋,文荣辉,杨超,胡超,王俊义,刘争红,邓小芳
受保护的技术使用者：桂林电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/21