短时数据相位差法测频.

1、短时数据相位差法测频王玉林，杨书玲,徐钳韬（中国电子科技集团公司第54研究所，河北石家庄050081摘要从相位差法测频的基本原理出发、考虑到直接平均相位差法不能适应 低信噪比和短时数据的要求，对相位数据做解卷绕和翻转预处理，从而解决了相位跳 周和频率反转的固有问题。做完预处理的相位数据，通过2种测频算法:高阶相位差 法和相位加权平均法,2种算法都不会出现直接平均的数据抵消，而旦充分利用了相 位差信息。仿真试验表明,2种算法能适应短时数据低信噪比的要求,能应用于工程 实践。关键词相位差法;加权平均相位法;相位解卷绕;阈值中图分类号TN911.23文献标识码 A文章编号1003-3106(2007

2、04-0048-03Frequency Measurement with Short Time Data Phase Diffeience MethodW ANG Y u 21111 ,Y ANG Shu 21mg ,X U Bo 2tao(The 54th Research Listitute o f CETC ,Shijiazhuang Hebei 050081,ChinaAbstract According to the fiindamental principle of frequency measui ement by phase difference method .conside

3、img that the duect average phase difference method is not fit for the low signal 2to 2noise ratio and slioit tune sam pie data ,piepiocesses of unwrapping and leveision are per fbimed for the phase data ,s o the issues of phase cycle 2skippmg and fiequencv leveision are res olved.Then phase data pre

4、processed are applied to tw o fiequencv measuiement alg ontluiis ,high oidei phase difference alg oiitlun and weighted phase average alg onthm.Both alg ontlmis make fiill use of phase in foimation and meet the leqirnement of short tune low S NR data and engineeiing practice.unwrapping threshold valu

5、e收稿日期20062112200引言信号瞬时频率的估计是通信、雷达、声纳以及电子对抗等领域信号处理的一个 重要问题。单信号快速测频算法中的常见算法有直接相位差法、瞬时自相关法、 曲线拟合法、基于三点的线性组合法以及过零检测法。简单的仿真发现直接相位差 法运算简单，而旦精度较高。因此从直接相位差法出发寻求一种性能良好的测频算 法。1测频算法1.1相位差法测频信号频率是相位对时间的导数，相当于离散采样信号相邻相位点的差分运算。相位差法测频是最直接有效的测频手段、能够满 足短时数据测频的要求，而且不需要做时域或频域的变换，因此能够适应瞬时测频的 实时性处理。相位法测频的基本原理如下：假设正弦信号为：

6、S (t =A cos (27tf Ot i +60 o式中,t i =11T s ,n =0丄,N-l。于是有】6i +k =27tf 0(i +k T s +00,Gi =27if OiT s +00,6i +k -6ijrfOkTs。信号瞬时频率的估计为:ei +k -0i2兀Tsk。做一阶差分,N-l次测量结果取平均的效果为lN-lfi=lN-lN-2i =00i +1-Gi 2兀T s =6N -1-0O2(N -IttT so 阶相位差法做平均会抵消中间N-2次测量结果。1.2高阶相位差法测频仿真发现,差分阶次趣高，测量精度越高。一阶差分会引起中间测量结果的抵消,为了尽可能地利用有

7、限的相位数据，并尽可能 提高差分阶次，在测量到N个相位数据后，做N/2阶的差分运算，频率的估计为：fA1 =ei 4-N/2-6i2 兀Ts - N/2o专题技术与工程应用式中,i =0,N/2l。若直接做平均则估计频率为f-=XN/2-li =0f人1 =XN-1i=N/2ei-XN/2-li=0eiNTs兀。1.3加权相位平均算法(Kay算法 叠加复高斯白噪声的复正弦信号为 s (n =A eJ (W on +0+Z 11 o式中,n=0,l,2,.,N-lozii表示采样时刻序列表示采样周期的整数倍。主要关心的参量是频率w 0。 测量噪声。记加权系数为：pn=32NN2-l1- n -(

8、N2- 1N22o频率的估计为：An =Zx n +1-Zx u =Zx 3nxn 十1、w 0=XN -2t =0p n 厶 3式中,IN -2ii =0pn=l;w 0是无偏估计。其中为相邻2点的相位差。Kay提出的频率估计算法在高信噪比下达到CR界。1.4相位解卷绕和翻转从前端得到的相位数据通常处于0和2兀之间，理论上相邻2个相位之差隐含频率信息，但是受相位数据2兀周期的影响，相邻相位之差很有可能出现大于兀或小于-兀的情况，此时如果直 接计算频率则出现很大误差，因此必须做相位解卷绕运算。对相位数据做差分运算。若后向差分出现不小于兀的跳变，则认为后续相位出现2兀的跳变,后续相位补偿-2兀的

9、相位;若后向差分出现不大于-兀的跳变，则认为后续相位出现-2兀的跳变,后续相位补偿2兀的相位。仿真发现在一定信噪比下，真实频率越靠近一半的采样率，测频精度越低。观察相位随采样时刻的变化曲线发现，信号频率越 接近一半采样频率，相位变化曲线越是频繁的出现负频率，而该负斜率的绝对值刚好 对应真实频率，因此对相位数据做取反运算,即相位翻转。相邻相位点做一次粗测频，如果粗测结果大于1/4采样频率,则对相位做“翻转” 处理，即将负频率部分翻转成正频率。之所以选择1/4采样频率,是因为较低频率不会发生相位的正负翻转，同时选择1/4采样频率作为分界线能够适应较低的信噪比。尽管解卷绕和翻转运算会增加测频算法的运

10、算量，但是由于算法中的差分运算 是针对连续的2个点进行的，一边接收采样数据，接着做差分运算和预处理，因此不会 硬件时间比较简单、能够满足实时性的要求。5测频算法流程图相位数据解卷绕和翻转处理之后就可以代入测频算法估计频率，算法流程图如图1所示。首先对相位数据做差分运算根据差 分结果同兀和-兀做比较，然后确定是否补偿，如果补偿应补偿2兀或-2兀,从而实现相位解卷绕运算。解卷绕后的相位数据任取其中2点粗劣获得频率的估计值上匕较估计值和1/4采样速率的大小关系，确 定是否做相位翻转运算。经过预处理的数据经过测频算法进行测频。专题技术与工程应用2007年无线电工程第37卷第4期493) 0-25 dB

11、fSIStt算法性能比较图3测频精度随信噪比的变化3结束语针对相位差法测频提出相位解卷绕和翻转处理方法。测频算法应用加权相位平 均算法和高阶相位差平均法。仿真发现,2种算法性能相差相当，能够满足短时低信 噪比的需要。参考文献1 王新春赵国庆高速宽带数字测频技术M 西安洒电出版社,2005.2 STE NVE N K .A Fast and Accurate S ingle Frequency EstmiatoiJ .IEEE T lansactions on Acoustics ,S peecli and S lgnal Piocessmg ,1989(12:1987-1990.3 高跃清，黄

12、进燕,刘军泰.高速高精度数据采样系统设计及测试J 无线电工程,2005,36(8:25-27.作者简介王玉林 男,(1982-,中国电子科技集团公司第54研究所工程师。主要研究方向 信号处理。(上接第30页全球平均最大访问间隔时间为2.068455554d。仿真中使用了大量的侦察仿真采样点，这样就避免了以往使用少数地面站作为 测试目标所导致的设计结果的随意性，大大提高了优化星座的实用性。另外,观测夹 角取6。http/'vwxiiki.n ctI9W-10 )0 Academic iwirnal tlcrwoax Fublishing. House. AM lie his reuerv

13、ed.主要是考虑到高分辨率成像侦图3平均最大访问间隔时间察的要求。随着星载侦察载荷技术的发展，高分辨率成像观测夹角的增加，成像 侦察卫星星座的侦察效能也将得到极大提高。5结束语由于区域星座系统设计与全球星座系统设计有较大不同，由一般全球星座系统 设计方法得到的星座在卫星数目很少的时候，很难有令人满意的侦察性能。而通过 仿真结果分析可知，基于G A的侦察卫星星座设计具有较好的鲁棒性。既可以对特 定目标区域提供令人满意的侦察性能，也适用于全球侦察卫星星座的设计。基于利用G A进行优化的侦察卫星星座设计方法，本文设计了一个为指定目标 区域提供侦察服务的卫星星座,分析了该系统的最大访问间隔时间性能。仿真结果 表明,通过该方法得到的星座是一个性能优异且卫星数目较少的侦察卫星星座设计方案。关于分阶段部署侦察卫星星座实现全球侦察的多目标优化