[发明专利]基于全相位FFT的高精度瞬间相位估计方法

说明书

技术领域

本发明属于数字信号处理技术领域，具体涉及一种对各类工程领域信号的瞬间相位进行估计的方法。

背景技术

在通信、仪表、电力、光学应用、故障诊断等工程领域，存在大量对信号的相位进行高精度、高效、快速的估计问题。例如在采用QAM、PSK调制的通信系统中，只有在接收端对各个码元周期内的载波初相位进行快速估计，才能正确恢复星座图，实现正确解码^[1]；在各类仪表中，相位计是常见的一种，相位计的基本功能就是准确测算出信号各个时刻的相位^[2]；而在电力系统的并网合闸场合，要求精确地测量两电网系统中工频信号间的相位差；另外在电力系统谐波分析中，受发电机绕组工艺、各种非线性电力设备负荷(如各种晶闸管整流装置、变频装置)等因素的影响，电网频率通常会发生偏移，这就要求实时测出50Hz基波和各次谐波的相位、频率、幅值^[3]；相位式高精度激光测距仪就是通过测量连续调幅信号在待测距离上往、返传播所产生的相位延迟，来间接地测定距离的^[4]；在旋转机械的故障诊断中，常常需通过对振动信号进行谱分析(包括振幅谱和相位谱)来判断故障类别，然而有时一个振幅谱往往对应着两三个解释(比如某台从旋转机械采集到的信号频谱中存在着较大的2倍频分量，则表明这台机器可能存在不对中或者轴弯曲或者机械松动的问题，到底是哪一种情况，很难说清楚)，这时如果结合相位分析，就很容易作出准确的判断^[5]。总之，信号相位的估计问题普遍存在于与国民经济紧密相关的生产环节中，因而研发出高性能的相位估计法具有很高的工程价值和经济价值。

相位测量与估计的方法很多，传统依靠模拟器件的方法，如：矢量法、二极管鉴相法、脉冲计数法等，其测量系统复杂，需专用器件，硬件成本高。近年来，相位估计逐渐向数字化方向发展，其优点在于硬件成本低、适应性强，只需单片机、DSP、FPGA等通用器件就可完成，对不同的测量对象只需改变程序算法即可，且其精度一般高于模拟式测量。因此，选定一套精确的相位估计算法是关键。

然而，为研发出高精度的相位测量算法(即参数估计算法)，仅在工程领域中去考虑问题是远远不够的。因为无论是在哪种应用场合，也无论是测量哪种物理量，经采样后信号的表现形式都是离散观测数据，若要精确、快速、有效地从观测数据中提取出参数信息，这就要涉及很多的理论问题，所涵盖的知识可延伸到数字信号处理、信号检测与估计理论、信息论、概率论与数理统计、随机过程等多个学科领域，只有加深对这些领域的基础知识的理解，从新的角度提出一些优化参数估计性能的措施，才有可能开发出性能更为优良的算法。本发明即是在由申请人深入把握以上各个学科知识的基础上，加以灵活应用而形成。

而现有的数字化相位估计主要包括以下几种方法：

(1)脉冲计数法

这是最常用的相位测量法，其测相原理如图1所示，主要过程为：产生与所测正弦信号同频率f、且已知初相的参考正弦波，然后分别对这两路正弦波进行脉冲计数(假设其基本计数周期为T₀)，根据其脉冲计数差值(假设n个脉冲差)而算出其延时nT₀，进而测算出其相位差2 π f n T₀，由参考相位加上此相位差，即可得到相位估计。

可看出，这种方法的缺陷在于：(1)需产生参考正弦波，且要求参考信号与所测正弦信号的频率完全一致，若稍有偏离，则会给测量结果带来很严重的偏差；(2)需专门产生脉冲计数信号，且测量精度很大程度上取决于基本脉冲宽度T₀，只有减小T₀才能提高测量精度，这对硬件设备的要求很高；(3)仅能对单频信号进行测量估计。

(2)希尔伯特变换法^[6]