1.一种基于相位直线拟合的正弦波信号频率估计方法,其特征在于,包括以下步骤:步骤1,对输入的含噪复解析数字信号作FFT运算,并将最强谱线所对应的频率值作为正弦波信号频率的初估计值,记作fe;
步骤2,利用正弦波信号频率的初估计值fe,对输入的复解析数字信号进行下变频处理;
步骤3,对下变频后的数据进行低通滤波处理;
步骤4,判断经低通滤波处理后的数据量是否大于设定阈值:若大于阈值则对经低通滤波处理后的数据进行数据抽取处理,然后进入步骤5;否则,直接进入步骤5;
步骤5,对所得数据进行解相位角运算;
步骤6,对所得相位角数据进行预处理;
步骤7,对经预处理后的相位角数据进行直线拟合运算,再根据直线似合的结果计算频率估计误差Δfe,正弦波信号的频率估计值调整为fe=fe+Δfe;
步骤8,判断频率估计误差Δfe是否大于给定阈值:若Δfe大于给定阈值,用Δfe对经步骤4处理后的输入复解析数字信号进行再次下变频处理,然后转到步骤5;否则,停止正弦波频率迭代估计过程,并输出正弦波频率的最终估计值fe。
2.根据权利要求1所述的基于相位直线拟合的正弦波信号频率估计方法,其特征在于,步骤1所述对输入的含噪复解析数字信号作FFT运算,并将最强谱线所对应的频率值作为正弦波信号频率的初估计值,记作fe,具体如下:记含噪复解析正弦波信号s0(t)的采样频率、采样点数分别为fs、N;对s0(t)的采样信号序列s0(n)作M点FFT运算得s0(t)的幅度谱|S(k)|,n=1,2,3,…,N-1,M≥N,k=1,2,3,…,M-
1;再计算幅度谱中最强谱线所对应的频率值记作fe。
3.根据权利要求2所述的基于相位直线拟合的正弦波信号频率估计方法,其特征在于,步骤2所述利用正弦波信号频率的初估计值fe,对输入的复解析数字信号进行下变频处理,具体如下:利用正弦波信号频率的初估计值fe对采样信号序列s0(n)进行下变频处理,即得下变频后的采样信号序列 n=1,2,3,…,N-1。
4.根据权利要求3所述的基于相位直线拟合的正弦波信号频率估计方法,其特征在于,步骤3所述对下变频后的数据进行低通滤波处理,具体如下:对下变频后的采样信号序列 进行低通滤波处理,得下变频及低通滤波后的采样数据序列 n=0,1,2,…,N-1;低通滤波处理时,低通滤波器的带宽根据步骤1中fe的最大估计误差及采样频率fs共同决定,即低通滤波器的带宽大于fs的0.04倍,并大于fe的最大估计误差。
5.根据权利要求4所述的基于相位直线拟合的正弦波信号频率估计方法,其特征在于,步骤4所述数据抽取处理,具体如下:对下变频及低通滤波后的采样数据序列 进行数据抽取运算,得到新的采样数据序列 n'=0,1,2,…,Q-1,Q为进行数据抽取后所得采样数据序列的长度;
假设数据抽取因子为η,则进行数据抽取后所得采样数据序列的采样频率fs'=fs/η,fs'大于低通滤波器带宽的2倍;当不进行数据抽取操作时,η=1。
6.根据权利要求5所述的基于相位直线拟合的正弦波信号频率估计方法,其特征在于,步骤5所述对所得数据进行解相位角运算,具体如下:计算数据序列 的相位信息序列θ(n');记数据序列 其中,
sI(n')、sQ(n')分别为 的实部和虚部,则 -π≤θ(n')≤π,n'=0,
1,2,…,Q-1。
7.根据权利要求6所述的基于相位直线拟合的正弦波信号频率估计方法,其特征在于,步骤6所述对所得相位角数据进行预处理,具体如下:首先,判断所提取的相位数据序列是否发生无周期性的相位折叠现象,当出现此种情况时,令 n'=0,1,2,…,Q-1,并重新提取相位数据序列;
其次,判断是否发生了周期性的相位折叠现象:当发生周期性的相位折叠现象时,取最大没发生相位折叠的相位数据段,用于后续的相位直线拟合运算;
最后,从最大没发生相位折叠的相位数据段中剔除不符合要求的相位估计值,具体方法是:先计算Θ(n')=θ(n'+1)-θ(n'),n'=0,1,2,…,Q-1,再求Θ(n')的均值和标准差,当Θ(n')与其均值之差大于其标准差的3倍时,用Θ(n'-1)或Θ(n'+1)代替Θ(n')。
8.根据权利要求7所述的基于相位直线拟合的正弦波信号频率估计方法,其特征在于,步骤7所述对经预处理后的相位角数据进行直线拟合运算,具体如下:假设所得拟合的直线为 则Δfe即为频率估计误差; 为拟
合后的相位信息序列,θ0为拟合出的常数。
9.根据权利要求8所述的基于相位直线拟合的正弦波信号频率估计方法,其特征在于,步骤8所述判断频率估计误差Δfe是否大于给定阈值:若Δfe大于给定阈值,用Δfe对经步骤4处理后的输入复解析数字信号进行再次下变频处理,然后转到步骤5;否则,停止正弦波频率迭代估计过程,并输出正弦波频率的最终估计值fe,具体如下:当Δfe大于给定的阈值时,令fe=fe+Δfe,并利用Δfe对数据序列 进行下变频处理,即 其中,n'=0,1,2,…,Q-1,fs'为进行数据抽取后的采样频率;当Δfe小于给定的门限值时,输出频率估计值fe。