肖瑋,涂亞慶,沈艷林,蘇丹,張磊
1.后勤工程學(xué)院后勤信息工程系,重慶 401311
2.涿州綜合倉庫,河北保定 611730
◎信號(hào)處理◎
頻率估計(jì)的多段正弦信號(hào)快速頻譜融合算法
肖瑋1,涂亞慶1,沈艷林1,蘇丹1,張磊2
1.后勤工程學(xué)院后勤信息工程系,重慶 401311
2.涿州綜合倉庫,河北保定 611730
多段正弦信號(hào)頻譜融合法(簡稱“原融合算法”)是提高低信噪比條件下正弦信號(hào)頻率估計(jì)精度的一條有效途徑,具有重要研究意義和應(yīng)用價(jià)值。為滿足雷達(dá)、聲納、電子對抗等實(shí)時(shí)性要求較高的頻率估計(jì)應(yīng)用需求,提出多段正弦信號(hào)快速頻譜融合算法。該方法通過設(shè)計(jì)離散時(shí)間傅里葉變換(Discrete Time Fourier Transform,DTFT)快速算法、降維處理加權(quán)融合頻譜矩陣和1/3主瓣相關(guān)性分析處理等措施來降低算法計(jì)算量,提高實(shí)時(shí)性。重點(diǎn)對上述三項(xiàng)措施的原理進(jìn)行了闡述與分析。計(jì)算量對比和仿真實(shí)驗(yàn)表明,多段正弦信號(hào)快速頻譜融合算法在精度損失極小的前提下,能夠大幅降低計(jì)算量;在信噪比極低的情況下(SNR≤-13 dB),其性能略優(yōu)于原融合算法。
快速頻譜融合;多段正弦信號(hào);離散時(shí)間傅里葉變換(DTFT)快速算法;降維;1/3主瓣相關(guān)
多段正弦信號(hào)頻譜融合法(簡稱“原融合算法”)是一類新興的正弦信號(hào)頻率估計(jì)法。該方法通過對多段信號(hào)頻譜進(jìn)行加權(quán)融合實(shí)現(xiàn)多段信號(hào)的信息積累,能夠近似成倍延長被測信號(hào)時(shí)寬,從而解決單段信號(hào)包含信息量不足、抗噪性差的問題,從源頭上為提高低信噪比條件下正弦信號(hào)頻率估計(jì)精度創(chuàng)造條件[1-4]。因此其頻率估計(jì)精度較高,除應(yīng)用于頻率估計(jì)外,還可用于LFM(Linear Frequency Modulated)信號(hào)參數(shù)估計(jì)[1]、VCO(Voltage Controlled Oscillator)非線性度校正[5]等方面,具有重要的理論研究意義和工程實(shí)用價(jià)值。
多段正弦信號(hào)頻譜融合法的計(jì)算量主要集中在多段正弦信號(hào)頻譜計(jì)算、最優(yōu)加權(quán)融合頻譜生成和頻域相關(guān)性分析三部分[4]。為滿足雷達(dá)、聲納、電子對抗等實(shí)時(shí)性要求較高的應(yīng)用需求[2,6],本文通過設(shè)計(jì)離散時(shí)間傅里葉變換(Discrete Time Fourier Transform,DTFT)快速算法、降維處理加權(quán)融合頻譜矩陣和1/3主瓣相關(guān)性分析處理等措施來分別降低上述三個(gè)環(huán)節(jié)的計(jì)算量,提出頻率估計(jì)的多段正弦信號(hào)快速頻譜融合算法(簡稱“快速融合算法”)。
2.1 DTFT快速算法設(shè)計(jì)
2.1.1 DTFT快速算法計(jì)算量分析
在多段正弦信號(hào)頻譜融合法中,利用DTFT計(jì)算M (M≥2)段單段信號(hào)頻譜Xm(fP)所需的計(jì)算量較大[4]。文獻(xiàn)[7]提出了一種滑動(dòng)DTFT快速算法,該方法的實(shí)質(zhì)是通過不斷增加計(jì)算序列的長度來實(shí)現(xiàn)指定頻率處傅里葉系數(shù)的快速計(jì)算,并未對DTFT算法本身進(jìn)行改進(jìn),因此不能適用于多段正弦信號(hào)頻譜融合法中序列長度不能增加的情況。
在多數(shù)數(shù)字信號(hào)處理的書籍和文獻(xiàn)中,DTFT是針對離散信號(hào)的[8-9],一般僅考慮n=0,1,…,N-1的有限長序列,其定義如式(1)所示:
根據(jù)需要確定被測頻率f的取值范圍fscope= [fmin,fmax]、頻率分辨率Δf、采樣頻率fs和輸出點(diǎn)數(shù)K= (fmax-fmin)/Δf+1,代入式(1)得:
其中,k=0,1,…,K-1。
利用布魯斯坦(Bulestein)所提出的式(3)[8-9]為DTFT設(shè)計(jì)快速算法:
則式(2)可以表示為:
由式(4)可知,計(jì)算x(n)的K點(diǎn)DTFT可以通過計(jì)算序列g(shù)(n)和h(n)的線性卷積與表達(dá)式e-jπk2Δf/fs的乘積來實(shí)現(xiàn)。由于g(n)為長度為N的序列,h(n)為一無窮長的序列;為計(jì)算g(n)和h(n)的線性卷積,只需取h(n)在-N+1≤n≤K-1內(nèi)的值即可,因此可以把h(n)看成一個(gè)長度為L=K+N-1的有限長序列。由于時(shí)域計(jì)算線性卷積效率低,當(dāng)循環(huán)卷積的循環(huán)長度大于或等于L+N-1時(shí),計(jì)算循環(huán)卷積和線性卷積的結(jié)果相同,且計(jì)算循環(huán)卷積可以利用FFT算法[8-9],因此可將g(n)和h(n)的線性卷積轉(zhuǎn)換為循環(huán)卷積。又因?yàn)橛?jì)算K點(diǎn)DTFT只需要輸出0,1,…,K-1共K個(gè)點(diǎn)的卷積值,即使后面N-1個(gè)點(diǎn)發(fā)生混疊也不會(huì)影響前面的值,因此可將循環(huán)卷積的周期縮短為L。
綜上所述,DTFT快速算法的基本思想如圖1所示,實(shí)現(xiàn)步驟如下:
步驟1確定g(n)和h(n)循環(huán)卷積的周期L,L≥K+N-1,且L為2的整數(shù)次冪。
步驟2將h(n)按式(7)轉(zhuǎn)化為一個(gè)長度為L點(diǎn)的新序列hL(n):
步驟3根據(jù)已知參數(shù)按式(5)計(jì)算序列g(shù)(n)。
步驟4將g(n)補(bǔ)零成為長度為L的序列g(shù)1(n),利用FFT算法計(jì)算g1(n)的L點(diǎn)離散傅里葉變換(Discrete Fourier Transform,DFT),記為G(l)。
步驟5利用FFT算法計(jì)算hL(n)的L點(diǎn)的DFT,記為H(l)。
步驟6將G(l)與H(l)相乘,得到g(n)和h(n)的循環(huán)卷積,記為Y(l),并對其進(jìn)行L點(diǎn)快速傅里葉逆變換(Inverse Fast Fourier Transform,IFFT)得到序列y′(n)。取y′(n)在0≤n≤K-1范圍內(nèi)的值,即為g(n)和h(n)的線性卷積,記為y″(n)。
步驟7將y″(n)與表達(dá)式e-jπk2Δf/fs相乘,得到K點(diǎn)DTFT的值。
圖1 DTFT快速算法的基本思想
2.1.2 DTFT快速算法計(jì)算量分析
(1)計(jì)算g(n):根據(jù)式(5),需要N次復(fù)數(shù)乘法。
(2)3次計(jì)算L點(diǎn)FFT(步驟4、5和6):共需要1.5L lbL次復(fù)數(shù)乘法和3L lbL次復(fù)數(shù)加法。
(3)計(jì)算g(n)和h(n)的循環(huán)卷積Y(l):需要L次復(fù)數(shù)乘法。
(4)計(jì)算y″(n)與e-jπk2Δf/fs的乘積:需要K次復(fù)數(shù)乘法。
故在DTFT快速算法中,計(jì)算K點(diǎn)DTFT的計(jì)算量約為S′DTFT×次復(fù)數(shù)乘法和S′DTFT+次復(fù)數(shù)加法:
直接K點(diǎn)DTFT需要復(fù)數(shù)乘法次數(shù)SDTFT×=KN,需要復(fù)數(shù)加法次數(shù)SDTFT+=(N-1)K。當(dāng)K,N取值變大時(shí),DTFT快速算法的計(jì)算量將遠(yuǎn)小于常規(guī)DTFT算法。
2.2 加權(quán)融合頻譜矩陣降維處理
由文獻(xiàn)[4]可知,加權(quán)融合頻譜矩陣X′(fP)是由P×1階矩陣Xm(fP)經(jīng)M×P×Q(M≥2,P≥1,Q≥1)階加權(quán)因子e-jD加權(quán)融合生成,X′(fP)是一個(gè)P×Q階的矩陣,可用圖2所示的圖形表示。圖2是由P根橫線和Q根豎線編制的一個(gè)網(wǎng)格圖,X′(fP)中第(p,q)個(gè)元素X′q[fP(p)]用圖中第p條橫線和第q條豎線的交點(diǎn)表示,最優(yōu)加權(quán)融合頻譜Xq0'(fP)由第q0條豎線上所有交點(diǎn)表示。
圖2 加權(quán)融合頻譜矩陣降維原理示意圖
(1)當(dāng)P≠Q(mào)時(shí),由DTFT頻率估計(jì)原理[10]可知,Xq0'(fP)可能位于X′(fP)任一列上。只能通過峰值搜索abs[Xq'(fP)],根據(jù)其峰值元素所在列q0來確定Xq0'(fP)。因此必須計(jì)算出X′(fP)中P×Q個(gè)元素,計(jì)算量較大。
(2)當(dāng)P=Q時(shí),①當(dāng)被測頻率f恰好等于序列fP中第p1(p1∈[1,P])個(gè)元素,即f=fP(p1)。其中,fP表示將fscope線性等分構(gòu)成的一個(gè)長度為P的序列。在無噪聲條件下,abs[Xq'(fP)]的峰值元素必定位于X′(fP)的 (p1,q1)處,此時(shí)p1=q1,即在X′(fP)的對角線元素上。②當(dāng)f等于fP中第p1個(gè)元素和第p2(p2∈[1,P])個(gè)元素之間的某個(gè)值時(shí),假設(shè)f更接近fP(p1),即f≈fP(p1),在無噪聲情況下,abs[Xq'(fP)]的峰值元素也必定位于矩陣X′(fP)的(p1,q1)處,也在X′(fP)的對角線元素上。綜上所述,只需設(shè)置P=Q,abs[Xq'(fP)]的峰值元素必定會(huì)位于X′(fP)的對角線元素上。為確定最優(yōu)加權(quán)融合頻譜Xq0'(fP)只需計(jì)算由X′(fP)對角線上元素構(gòu)成的P×1階矩陣Xpq'(fP)即可。通過峰值搜索abs[Xpq'(fP)]即可確定Xq0'(fP)在X′(fP)的列數(shù)q0。按此方法可將原融合算法中計(jì)算P×Q階X′(fP)降維為計(jì)算P×1階的Xpq'(fP),從而大幅度減少計(jì)算量。
Xpq'(fP)={X1'[fP(1)],X2'[fP(2)],…,XQ'[fP(Q)]}(10)
同時(shí),對X′(fP)進(jìn)行降維處理還可提高算法的抗噪性。因?yàn)楫?dāng)P=Q時(shí),雖然由理論分析Xq0'(fP)對應(yīng)的q0應(yīng)出現(xiàn)在X′(fP)的對角線元素上,但受噪聲干擾,若通過直接峰值搜索abs[Xq'(fP)]來確定的q0很可能不在X′(fP)的對角線上。但采用上述降維處理后,即使在噪聲干擾情況下,也能確保q0來源于X′(fP)對角線元素,因此從一定程度上提高了算法的抗噪性。
2.3 1/3主瓣相關(guān)性分析
在原融合算法中,通過計(jì)算同一信號(hào)的兩個(gè)不同類型頻譜——多段正弦信號(hào)的最優(yōu)加權(quán)融合頻譜Xq0'(fP)和其累加頻譜X(fP)的頻域相關(guān)譜r(fP),來抑制虛假譜峰和噪聲干擾,提高信號(hào)參數(shù)估計(jì)精度。由圖3可知,Xq0'(fP)僅在其1/3主瓣對應(yīng)的頻段內(nèi)與其X(fP)對應(yīng)部分具有最大的相似度,因此沒有必要分析Xq0'(fP)和X(fP)在整個(gè)頻段內(nèi)的相關(guān)性,僅需計(jì)算圖3中灰色區(qū)域的1/3主瓣相關(guān)譜r13(fP)即可,從一定程度上消減原融合算法的計(jì)算量,其數(shù)學(xué)表達(dá)式如式(11)和式(12)所示:
圖31 /3主瓣相關(guān)性分析示意圖
表1 多段正弦頻譜融合法計(jì)算量
表2 多段正弦快速頻譜融合法計(jì)算量
將算法所需的復(fù)數(shù)乘法和復(fù)數(shù)加法次數(shù)按如下關(guān)系轉(zhuǎn)化為實(shí)數(shù)乘法和實(shí)數(shù)加法:一次復(fù)數(shù)乘法需要四次實(shí)數(shù)乘法和兩次實(shí)數(shù)加法,一次復(fù)數(shù)加法需兩次實(shí)數(shù)加法。設(shè)置M=4,P=150,Q=150,Nm=50,N′=200,Lm=256(m∈[1,M]),Pl1l2=P/5,采用DSP2812[11]為核心處理器,設(shè)置其主頻為40 MHz(其峰值可達(dá)150 MHz)。以計(jì)算一次實(shí)數(shù)乘法運(yùn)算需要四個(gè)機(jī)器周期,計(jì)算一次實(shí)數(shù)加法運(yùn)算需要一個(gè)機(jī)器周期為例對算法計(jì)算量進(jìn)行分析,分析結(jié)果如表3所示。原融合法的總耗時(shí)均約為22.868 ms,能夠滿足普通應(yīng)用所需。本文提出的快速融合算法的總耗時(shí)約為3.575 ms,較原融合算法的運(yùn)算速度提高了約84.37%。當(dāng)提高DSP的主頻時(shí),上述算法的耗時(shí)將進(jìn)一步降低。
表3 算法計(jì)算量和耗時(shí)說明表
(1)信噪比變化條件下的仿真實(shí)驗(yàn)
為測試快速融合算法在不同信噪比條件下的性能,針對信號(hào)b1和信號(hào)b2,分別進(jìn)行了11組實(shí)驗(yàn),每組包括1 000次Monte_Carlo實(shí)驗(yàn),各組實(shí)驗(yàn)的信噪比設(shè)置如表5第一列所示,其余參數(shù)見表4。
表4 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置
表5 不同信噪比條件下的頻率估計(jì)均方根誤差kHz
由表5所示的仿真結(jié)果可知,快速融合算法在估計(jì)信號(hào)b2頻率時(shí)的RMSE低于估計(jì)信號(hào)b1的頻率。在信噪比為-11~5 dB的范圍內(nèi),快速融合算法頻率估計(jì)的RMSE略高于原融合算法;在信噪比為-15~-13 dB的實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi),快速融合算法頻率估計(jì)的RMSE略低于原融合算法;這是因?yàn)榭焖偃诤纤惴ㄖ袑訖?quán)融合頻譜矩陣的降維處理能夠進(jìn)一步提高算法抗噪性,因此在信噪比較低時(shí)其性能略優(yōu)于原融合算法。
(2)單段信號(hào)長度變化條件下的仿真實(shí)驗(yàn)
為測試快速融合算法在單段信號(hào)長度變化條件下的性能,針對信號(hào)b1和信號(hào)b2,分別進(jìn)行了10組實(shí)驗(yàn),每組包括1 000次Monte_Carlo實(shí)驗(yàn),每組b1和b2中第m段信號(hào)的長度Nb1m和Nb2m設(shè)置如表6所示,其余參數(shù)參見表4。
表6 多段正弦信號(hào)中單段信號(hào)長度設(shè)置表
由表7所示的仿真結(jié)果可知,隨著單段信號(hào)長度在表6所示范圍內(nèi)變化??焖偃诤纤惴ǖ念l率估計(jì)RMSE隨著單段信號(hào)長度的增加而遞減,略大于原融合算法頻率估計(jì)的RMSE,整體性能穩(wěn)定。
表7 不同單段信號(hào)長度條件下的頻率估計(jì)均方根誤差kHz
(3)被測頻率變化條件下的仿真實(shí)驗(yàn)
為測試快速融合算法在被測頻率f變化條件下的性能,進(jìn)行了10組實(shí)驗(yàn),每組實(shí)驗(yàn)中f設(shè)置如表8第一列所示,每組包括1 000次Monte_Carlo實(shí)驗(yàn),其余參數(shù)見表4。
表8 不同被測頻率f條件下的頻率估計(jì)均方根誤差kHz
由表8所示的仿真結(jié)果可知,隨著被測頻率f在7.5~12 MHz內(nèi)變化,在估計(jì)信號(hào)b1頻率時(shí),快速融合算法和原融合算法的頻率估計(jì)平均RMSE分別為38.27 kHz,37.41 kHz;在估計(jì)信號(hào)b2頻率時(shí),快速融合算法和原融合算法的頻率估計(jì)平均RMSE分別為37.35 kHz,36.22 kHz。上述仿真結(jié)果表明快速融合算法的性能較為接近原融合算法,較穩(wěn)定;在滿足奈特斯特采樣定理的前提下,能夠適用于不同的被測頻率對象,具有良好的普適性。
(4)采樣頻率變化條件下的仿真實(shí)驗(yàn)
為測試快速融合算法在采樣頻率fs變化條件下的性能,進(jìn)行了10組實(shí)驗(yàn),每組實(shí)驗(yàn)中fs設(shè)置如表9第一列所示,每組包括1 000次Monte_Carlo實(shí)驗(yàn),其余參數(shù)設(shè)置見表4。
表9 不同采樣頻率fs條件下的頻率估計(jì)均方根誤差kHz
由表9所示的仿真結(jié)果可知,隨著采樣頻率fs在38~42.5 MHz內(nèi)變化,在估計(jì)信號(hào)b1頻率時(shí),快速融合算法和原融合算法的頻率估計(jì)平均RMSE分別為38.44 kHz,37.54 kHz;在估計(jì)信號(hào)b2頻率時(shí),快速融合算法和原融合算法的頻率估計(jì)平均RMSE分別為36.99 kHz,36.04 kHz。上述仿真結(jié)果表明快速融合算法的性能較為接近原融合算法,在滿足奈特斯特采樣定理的前提下,其性能基本不依賴于采樣頻率。
為進(jìn)一步提高多段正弦信號(hào)頻譜融合算法的實(shí)時(shí)性,滿足雷達(dá)、聲納、電子對抗等應(yīng)用需求,本文通過設(shè)計(jì)DTFT快速算法、降維處理加權(quán)融合頻譜矩陣和1/3主瓣相關(guān)性分析處理等措施來降低算法計(jì)算量,提出頻率估計(jì)的多段正弦信號(hào)快速頻譜融合算法。計(jì)算量對比和仿真實(shí)驗(yàn)表明,多段正弦信號(hào)快速頻譜融合算法在精度損失極小的前提下,能夠大幅降低計(jì)算量;在信噪比極低的情況下(SNR≤-13 dB),其性能略優(yōu)于原融合算法。
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XIAO Wei1,TU Yaqing1,SHEN Yanlin1,SU Dan1,ZHANG Lei2
1.Department of Logistical Information Engineering,Logistical Engineering University,Chongqing 401311,China
2.Zhuozhou Comprehensive Storehouse,Baoding,Hebei 611730,China
The spectra fusion method for multi-sections sinusoids(called“the fore-fusion method”for short)is an effective way of estimation frequency for the sinusoids in low Signal-to-Noise Ratio(SNR),which has an important theoretical significance and practical value.In order to meet the high real-time demand in some fields such as radar,sonar and electronic countermeasures,a fast spectra fusion algorithm for multi-section sinusoids is put forward.This proposed algorithm can reduce the calculation and improve the real-time characteristic by the following techniques:design a fast DTFT algorithm,reduce dimensions of the weighted fusion spectrum matrix,and analyse the correlation of the 1/3 main-lodes of the optimization weighted-accumulation spectrum and the accumulation spectrum.The principles of the above techniques are expatiated.Calculation analyses and simulations demonstrate that the proposed algorithm can reduce most calculation of the fore-fusion method with lower little precision,and it works better in very low SNR(SNR≤-13 dB).
fast spectra fusion;multi-sections sinusoids;fast Discrete Time Fourier Transform(DTFT)algorithm;dimensions reduction;correlation of 1/3 main-lodes
A
TN957
10.3778/j.issn.1002-8331.1207-0435
XIAO Wei,TU Yaqing,SHEN Yanlin,et al.Fast frequency estimation algorithm based on spectra fusion of multi-section sinusoids.Computer Engineering and Applications,2014,50(6):186-191.
國家自然科學(xué)基金(No.61271449,No.61302175);重慶市自然科學(xué)基金(No.cstc2012jjA0877,No.cstc2011BA2015);后勤工程學(xué)院青年科研基金項(xiàng)目資助課題。
肖瑋(1982—),女,博士,研究領(lǐng)域?yàn)樾盘?hào)處理,嵌入式系統(tǒng);涂亞慶(1963—),男,博士,教授,博士生導(dǎo)師,研究領(lǐng)域?yàn)樾盘?hào)處理;沈艷林(1987—),男,碩士研究生,研究領(lǐng)域?yàn)樾盘?hào)處理;蘇丹(1983—),女,博士研究生,研究領(lǐng)域?yàn)樾盘?hào)處理;張磊(1980—),男,博士,研究領(lǐng)域?yàn)檐娛挛锪髋c信號(hào)處理。E-mail:WZWRY@163.com
2012-07-29
2012-11-23
1002-8331(2014)06-0186-06
CNKI網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版:2012-12-13,http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2127.TP.20121213.1629.003.html