[发明专利]短样本密集频率信号的参数测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种频率信号的参数测量。特别是涉及一种在采集到短样本时，对包含密集邻近成分的正弦波信号进行频率、初相位和幅值的数字测量的短样本密集频率信号的参数测量方法。

背景技术

多频正弦波的频率、幅值和初相的参数测量是工程界常常遇到的问题。目前，正弦信号的数字测量法以其精度高、方案灵活且无需引入复杂电路等优点成为广泛使用的测量手段。数字测量方法需要以一定采样速率对信号进行采样，再借助数字信号处理算法对采样数据进行分析计算，而得到频率、幅值和初相的估计值。因此，数字信号处理方法的优劣直接决定了最终参数估计精度和测量范围。

然而，在各领域的工程实践中，对于多频正弦波的参数测量，存在一个很棘手的难题。那就是信号的多种频率成分中，经常会遇到相邻的两个频率成分挨得非常近的情况(如在军事无线电环境中，接收载波经常会受到近频位置的敌方强干扰)，而且受采样时间所限，我们常常采集不到足够长的样本信号。如何分辨并测量短样本情况下的近频成分及其频率、幅值和初相参数一直是工程实践中的一个挑战性的难题，迫切需要解决。

近些年来，人们也一直致力于对信号参数测量方法的研究，研究成果层出不穷，比如：

(1)计数相加法(大石和明，石田秀树.频率测量电路[P].日本：008144012000.08.18.)，提出了频率测量单元在相互移位的周期内对参考时钟进行计数。设置加法器来把频率测量单元的计数相加。通过把在移位的周期内测得的计数值这样相加，得到频率测量结果。

(2)自适应频率测量器法(胡前南，曹全喜，龚洪金，刘亚威.自适应频率测量器[P]中国：2008202215832008.12.04.)。此装置包括采样转换电路，采样转换电路连接滤波电路，滤波电路连接数模转换电路，数模转换电路连接数字量处理单片机，数字量处理单片机连接人机接口。通过硬件电路完成比较宽范围的频率测量。

(3)采样统计法(严可国，金存山.一种频率测量方法和装置[P].中国：2008100571922008.01.30.)。此测量装置包括：接收被测信号，所述被测信号的边沿触发中断；当采样完成时，根据当前中断次数获取要求采样次数；根据定时中断次数和定时器时间，获取采样时间；根据所述要求采样次数和采样时间，获取所述被测信号的频率值。

以上种种方法均通过硬件电路实现，过分依赖专用的电路，因而会耗费大量硬件资源而且测量范围有限，精度难把握，并且当遇到两个频率成分挨得很近的情况上述方法显得无能为力。因此，近期人们把信号参数测量方法的由硬件逐渐转向软件，用数学方法通过软件编程实现参数的测量与分析。

DFT(Discrete Fourier Transform，离散傅里叶变换)和DTFT(Discrete Time FourierTransform，离散时间傅里叶变换)是最常用的正弦信号的参数估计法，DFT是DTFT在频域内的离散采样结果。两者都可以直接对采样序列进行变换而得到谱图，在谱图上直接搜索出峰值谱位置，再通过辨识谱峰位置而区分临近成分。

从谱分析的角度看来，一方面，样本长度直接决定了谱分析的阶数，短样本则意味着谱分析阶数N无法取得过高，因而很可能使得信号包含的两近邻频率成分的间距小于DFT的频率分辨率Δω＝2π/N，即属于短样本密集谱情况，显然由短样本而形成的密集谱会增大频率成分的识别难度；另一方面，DTFT与DFT的一个共同缺陷是，两种谱分析都存在很严重的谱泄漏效应。如Sanjit K.Mitra.DIGITAL SIGNAL PROCESSING：A Computer Based Approach，3rdEdition[M].NewYork：McGraw-Hill，2005、高西全，丁玉美.数字信号处理-第三版[M].西安：西安电子科技大学出版社，2008、以及D.Agrez.Improving phase estimation with leakageminimization[J]IEEE Trans.Instrum.Meas.，2005，54(4)：1347-1353所述。