一种快速高精度测频方法和系统

摘要

本发明属于信号处理技术领域，涉及一种快速高精度测频方法和系统，包括以下步骤：S1通过短时傅里叶变化对输入信号进行频率粗测量，获得输入信号的时频矩阵；S2对时频矩阵进行幅值检测，提取每一个时刻的最大频率分量，形成时频脊线，并对时频脊线进行相位差分处理；S3通过解模糊的方法对经过相位差分处理的时频脊线进行相位解卷叠，从测量相位中求解出真实相位其采用短时傅氏变换和相位差分，有效利用傅里叶变换后的相位信息，实现了频率的精确测量，降低了系统对计算能力的要求，从而大大降低了系统制造成本。

说明书

技术领域

本发明涉及一种快速高精度测频方法和系统，属于信号处理技术领域。

背景技术

随着通信、雷达行业的发展，用频设备数目不断增长，电磁环境日趋复杂，对电磁频谱进行监测的需求也不断增加，对频谱监测设备的能力要求也不断提升。对来波频率的估计是宽带频谱监测接收机的一个核心能力。频率估计的准确性将直接影响到频谱监测感知系统对用频设备的特征辨识和功能判定。

目前进行频率估计的一个广泛使用的方法是傅里叶变换方法，对来波信号进行傅里叶变换，通过幅度峰值搜索的方法获得傅里叶变换后频率峰值。傅里叶变换实际上可以视为对信号的时频分析，通过有效输出的峰值标号即可获得信号频率信息。这种方法的频率分辨率等于采样率除以傅里叶变换点数，受奈奎斯特采样准则的约束，系统的采样率至少需要大于瞬时带宽的两倍。因此，当系统瞬时频率范围较宽时，系统的采样率也较高，此时在同样的傅里叶变换点数下，其频率分辨低，傅里叶变换点数的增加需要以增加计算量为代价。故对于宽频覆盖的情景，若需要较高的频率分辨率，则需要提高系统硬件的计算能力，此时将大大增加系统的制造成本。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供了一种快速高精度测频方法和系统，其采用短时傅氏变换和相位差分，有效利用傅里叶变换后的相位信息，实现了频率的精确测量，降低了系统对计算能力的要求，从而大大降低了系统制造成本。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种快速高精度测频方法，包括以下步骤：S1通过短时傅里叶变化对输入信号进行频率粗测量，获得输入信号的时频矩阵；S2对时频矩阵进行幅值检测，提取每一个时刻的最大频率分量，形成时频脊线，并对时频脊线进行相位差分处理；S3通过解模糊的方法对经过相位差分处理的时频脊线进行相位解卷叠，从测量相位

进一步，步骤S1中，通过短时傅里叶变化对输入信号进行频率粗测量的过程中，利用短时傅里叶变换在时间上的相关性，后一时刻的短时傅里叶变换结果通过前一时刻短时傅里叶变换结果和更新数据的加权值获得。

进一步，步骤S2中的幅值的检测方法包括以下步骤：S2.1将短时傅里叶变换后得到的复信号同相分量与正交分量相除，计算复信号的反正切；S2.2根据复信号的实部和虚部的正负，及复信号的反正切的大小获得取值范围为[0,2π]的测量相位；S2.3计算测量相位的同相分量和正交分量的平方和，获得短时傅里叶变换后的幅值。

进一步，步骤S2中提取每一个时刻的最大频率分量的方法为：通过包络检波检测时频矩阵的幅值，并将获得的时频矩阵的幅值输入脉冲描述字编码器，获得每一时刻的频谱幅值监测结果，提取每一个时刻的幅值中的最大值，并将最大值发送至多路选择器的选通接口，当前时刻的最大幅值。

进一步，步骤S2中相位差分的公式为：

其中，f

进一步，步骤S3中解卷叠通过给测量相位序列

进一步，相位序列{C

当

C

当

C

对于其他情况，{C

C

其中，使用的门限T为-π，

本发明还公开了一种快速高精度测频系统，包括：粗测量模块，用于通过短时傅里叶变化对输入信号进行频率粗测量，获得输入信号的时频矩阵；幅值检测模块，用于对时频矩阵进行幅值检测，提取每一个时刻的最大频率分量，形成时频脊线，并对时频脊线进行相位差分处理；解卷叠模块，用于通过解模糊的方法对经过相位差分处理的时频脊线进行相位解卷叠，从测量相位

进一步，幅值检测模块中相位差分方法的公式为：

其中，f

进一步，解卷叠模块中解卷叠通过给测量相位序列

当

C

当

C

对于其他情况，{C

C

其中，使用的门限T为-π，

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、相比于传统技术，本发明提出的方法能够分析同时多频率分量信号，如集中式雷达发射的频率分集信号。

2、由于短时傅里叶变换能够提供一定的处理增益，故相比于传统直接相位差分的方法，本发明提出的方法能容忍更低的信噪比。

附图说明

图1是本发明一实施例中快速高精度测频方法的示意图；

图2是本发明一实施例中实际输入的脉冲信号的时频图，图2(a)是频率为800，脉冲宽度为1369的双载波线性调频信号；图2(b)是频率为203，脉冲宽度为8713四载波线性调频信号

图3是本发明一实施例中瞬时测频硬件的结构示意图；

图4是本发明一实施例中相位解卷叠过程的示意图；

图5是本发明一实施例中实际感知信号瞬时频率，图5(a)是线性调频信号，图5(b)是一种二相编码信号，图5(c)是另一种二相编码信号，图5(d)是非线性调频，图5(e)是一种脉内跳频，图5(f)是另一种脉内跳频。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方向，通过具体实施例对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，具体实施方式的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。在本发明的描述中，需要理解的是，所用到的术语仅仅是用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

实施例一

本实施例公开了一种快速高精度测频方法，如图1所示，包括以下步骤：

S1通过短时傅里叶变化对输入信号进行频率粗测量，获得输入信号的时频矩阵。

本步骤中通过短时傅里叶变化对输入信号进行频率粗测量的过程中，利用短时傅里叶变换在时间上的相关性，后一时刻的短时傅里叶变换结果通过前一时刻短时傅里叶变换结果和更新数据的加权值获得。时频矩阵的每一个值若均由加窗积分运算直接获得，则其运算量将相当地大。若将窗形状取为余弦型窗，则此时短时傅氏变换能够使用快速迭代算法实现。几种典型实际输入的脉冲信号的时频图如图2所示。

S2对时频矩阵进行幅值检测，提取每一个时刻的最大频率分量，形成时频脊线，并对时频脊线进行相位差分处理。

本步骤中的幅值的检测方法包括以下步骤：

S2.1将短时傅里叶变换后得到的复信号同相分量与正交分量相除，计算复信号的反正切；

S2.2根据复信号的实部和虚部的正负，及复信号的反正切的大小获得取值范围为[0,2π]的测量相位；

S2.3计算测量相位的同相分量和正交分量的平方和，获得短时傅里叶变换后的幅值。

本步骤中提取每一个时刻的最大频率分量的方法为：通过包络检波检测时频矩阵的幅值，并将获得的时频矩阵的幅值输入脉冲描述字编码器，获得每一时刻的频谱幅值监测结果，提取每一个时刻的幅值中的最大值，并将最大值发送至多路选择器的选通接口，当前时刻的最大幅值。将当前时刻的最大幅值形成时频脊线，并对时频脊线进行相位差分处理。

由于短时傅氏变换并没有进行频谱搬移，其同一帧的相位是连续的，故可以通过相位差分的方法实现频率精测。由于相位并不受傅里叶变换点数的限制，因而可实现更细致的频率分辨。同时，通过多点平滑，能够以较低的硬件代价提升低信噪比下频率估计的性能。多点时频脊线相位差分的表达式为：

其中，f

如图3所示，图3是本发明一实施例中瞬时测频硬件的结构示意图，其具体步骤为：将解析信号同相分量与正交分量相除，计算其反正切；根据实部虚部的正负获得取值范围为[0,2π]的测量相位；相位解模糊，从测量相位中求解真实相位；多重相位差分，实现对噪声的平滑。

S3通过解模糊的方法对经过相位差分处理的时频脊线进行相位解卷叠，从测量相位

图4是相位解卷叠过程的示意图，表示一个单频复信号在两个周期内测量相位的变化，采样点A、B位于第一个周期，C位于第二个周期。从图3中可以看出，若两采样点位于同一周期内，则其测量相位与真实相位满足顺序关系，即：

若两采样点位于相邻周期，则其测量相位与真实相位满足逆序关系，即：

相位解卷叠的过程就是由图3中的实线部分移至虚线部分，使所有采样点相位满足顺序关系的过程。

本步骤中解卷叠通过给测量相位序列

相位序列{C

当

C

当

C

对于其他情况，{C

C

其中，使用的门限T为-π，

在实际使用中有两个因素容易造成解卷叠错误，一个是低的信噪比，另一个是高的归一化载频。本发明通过对短时傅里叶变换输出的时频矩阵，提取每一个时刻的最大频率分量，形成时频脊线，通过对时频脊线进行相位差分和解模糊，具有较低的解卷叠错误概率。本实施例中实际感知信号瞬时频率如图5所示，图5(a)是线性调频信号，图5(b)是一种二相编码信号，图5(c)是另一种二相编码信号，图5(d)是非线性调频，图5(e)是一种脉内跳频，图5(f)是另一种脉内跳频。

实施例二

基于相同的发明构思，本实施例公开了一种快速高精度测频系统，包括：

粗测量模块，用于通过短时傅里叶变化对输入信号进行频率粗测量，获得输入信号的时频矩阵；

幅值检测模块，用于对时频矩阵进行幅值检测，提取每一个时刻的最大频率分量，形成时频脊线，并对时频脊线进行相位差分处理；

解卷叠模块，用于通过解模糊的方法对经过相位差分处理的时频脊线进行相位解卷叠，从测量相位

幅值检测模块中相位差分方法的公式为：

其中，f

解卷叠模块中解卷叠通过给测量相位序列

当

C

当

C

对于其他情况，{C

C

其中，使用的门限T为-π，

因此对相位进行解卷叠的一种方法是给测量相位序列

当

C

当

C

对于其他情况，{C

C

其中，默认使用的门限T即为-π。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。上述内容仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。