[发明专利]基于时域波形比对的信号分量估计方法

说明书

一种基于时域波形比对的信号分量估计方法，针对信号分量频率已知、只估计信号分量初相位的情况，它包括以下步骤，(1)读取待估计信号采样序列x(n)，n＝0，1，…，N‑1，设采样率为f_s，它有频率f₀已知、初相位未知的感兴趣信号分量；(2)求解一以初相位为自变量的一元函数优化问题，将求得的最优解确定为感兴趣分量f₀对应的初相位的精确估值一种基于时域波形比对的信号分量估计方法，针对信号分量的频率和初相位均未知的情况，包括以下步骤，(1)读取待估计信号采样序列x(n)，n＝0，1，…，N‑1，设采样率为f_s，它有频率为f₀、初相位为的感兴趣信号分量；(2)求解一以频率f和初相位为自变量的二元函数优化问题，将最优解确定为感兴趣分量频率f₀和初相位的精确估值和

技术领域

本申请涉及一种在信号分量频率已知的情况下对其初相位进行估计的方法 和一种在信号分量频率和初相位均未知的情况下对二者进行联合估计的方法。

在一些场景中，信号分量的频率是精准、恒定不变且已知的，需要对其初相 位进行估计，譬如，在相位式激光测距中，通过估计发射信号和接收信号的初相 位差来间接计算出时间，从而根据光速可估计出距离；再如，用扫频法进行系统 频响或阻抗谱分析时，也属于频率已知需要准确估计初相位的情况。在另一些场 景中，信号分量的频率和相位都是未知的，例如在电力系统交流并网中，并网信 号的频率和初相位被要求相同，需要对它们都进行准确估计。信号分量的频率和 初相位的估计，还在雷达探测、生物医学电子学等许多领域均有广泛应用。信号 分量频率和初相位的准确估计，意味着其应用系统的更好性能。

实际中，信号分量的初相位也经常简称相位。

背景技术

关于在频率已知情况下的初相位估计。一种基本方法是：在频域来算，将所 求信号在已知频率点上的傅里叶变换DTFT的相位确定为该信号分量初相位的 估值。专利[1]还提出了一种在频率已知的情况下基于信号相频谱比对的初相位 搜索估计算法。系统冲击响应信号分量的初相位，可体现为系统输入输出同频信 号的初相位差。一阶线性插值法[2]利用直线近似代替过零点处的信号曲线，根据 过零点两侧的采样值即可计算出准确的过零点，再根据求出的系统输入输出信号 过零点的时间差Δt计算系统的初相位；类似地，二阶相位插值法利用二阶多项式 对过零点处信号曲线进行拟合，并根据三个采样点进行计算[2]；互相关法[3]对 两路同频信号x(t)，y(t)计算互相关，根据信号与噪声之间互不相关，噪声与噪声 之间互不相关的原理，可得到互相关函数在零点处只与两路信号的初相位差有关， 因此可直接求解出初相位差。

关于信号分量的频率和初相位都需要估计的任务。一般的途径是对信号分量 频率和初相位依次估计，即在一定近似的基础上，先将频率或初相位的其一参数 估计完毕、然后再据此将另一个参数估计完毕。频域中的经典频率估计方法可分 为基于DTFT(离散时间傅立叶变换)频谱的峰值搜索[5][6]和对DFT峰值对应 频率和真实频率的偏差进行估计的频谱校正类算法，如迭代插值、增强迭代插值 算法[7][8][9]和相位差法[10][11]等。专利申请[12]提出了一种基于构造信号幅频 谱与待测信号幅频谱进行比对的信号分量频率精确估计方法，以频率f为参数构 造信号，以最大化构造信号幅频谱和待估计信号幅频谱之间的相关系数为优化目 标，通过二分搜索给出使相关系数达到最大的频率作为待测信号感兴趣分量频率 f₀的精确估值也有一些非频域的参数估计算法，这类方法不需要计算FFT， 因此通常更简单，易于实现。如基于空间谱分解的MUSIC方法[13][14]通过特征 分解将信号分为信号空间和噪声空间，利用噪声空间和信号空间的正交性对参数 进行估计。类似还有利用旋转不变性的ESPRIT方法[15]。