您的当前位置:首页正文

瞬时频率的Prony方法提取及MATLAB实现

来源:九壹网
维普资讯 http://www.cqvip.com 第25卷第2期 计算机仿真 2008年2月 文章编号:1006—9348(2008)02—0303—03 瞬时频率的Prony方法提取及MATLAB实现 王磊 ,郝士琦 ,戎雁 (1.解放军电子工程学院506室,安徽合肥230037; 2.安徽省电子制约技术重点实验室,安徽合肥230037) 摘要:瞬时频率是信号重要的瞬时特征参数,由于其在通信中的信号调制样式识别、电台“指纹”识别等诸多方面有着广泛 的应用,故成为信号处理领域的一个研究热点。旨在有效的提取信号的瞬时频率,介绍了瞬时频率的定义、常用的瞬时频率 提取方法及扩展的Prony方法的基本原理与步骤,采用Prony方法提取信号的瞬时频率,给出了算法流程和MATLAB实现的 核心程序代码,对线性扫频信号和4FSK信号进行了仿真试验,与相位建模法、WVD法相比,估计的瞬时频率在低信噪比时 的均方差较小,结果表明该方法可行,在低信噪比条件下有一定的优势。 关键词:瞬时频率;瞬时特征;提取:算法流程 中图分类号:TN911 文献标识码:A Prony Method for Instantaneous Frequency Detection and Its Implementation Based on Matlab WANG Lei ,HAO Shi—q ,RONG Yan , (1.Electronic Engineering Institute of PLA,Hefei Anhui 230037,China; 2,Anhui Electronic Restricting Technique Key Laboratory,Hefei Anhui 230037,China) ABSTRACT:Instantaneous frequency is an important instantaneous characteristic parameter of signa1.It is used widely in modulation recognition for communication singa1.“fingerprint”recognition for radio station and SO on.So it becomes a focus in singal processing.The purpose of this paper is to detect instantaneous frequency.The definition and application range of instnat frequency and the basic principle and process of extending Prony method are intro- duced.The Prony method is used to detect instnat frequency.The arithmetic flow chart and the main program based on matlab are brought forth.The performance of linear swept singal and 4FSK singal is simulated.And the mean square error of result of Prony method is smaller in low SNR compared wiht phase modeling and WVD.The results show that the method is doable and especially has advantage in low SNR. KEYWORDS:Instnataneous frequency;Instantaneous character;Detection;Arithmetic flow 则瞬时频率的定义为: 1 引言 f)= ・垡 (2) 传统的频率概念源于针对周期性信号的经典物理学定 二11 Ⅱ‘ 义,其实质是表征信号的全局特征,一般由傅立叶变换求得, 现有的瞬时频率提取算法除利用定义对信号进行Hil. 而瞬时频率表征信号的瞬时特征,与传统的频率概念不同。 bert变换外,其它利用信号瞬时相位信息求瞬时频率的方法 瞬时频率的定义方法经历了一个漫长的发展过程 ,其中 有相位建模法、锁相环法,另外还有中心有限差分法、小波变 Ville提出的瞬时频率定义式,目前在学术界最为常用且得到 换、分数阶Fourier变换、WVD法等 ,这些方法中,非 普遍认可[sl [ 。 时频方法对噪声比较敏感 j,时频方法估计精度较高,但运 设窄带信号s(t)对应的解析信号为: 算量大 … ,且时频方法中,小波变换法仅适用于频谱连 z(t)=s(t)+ ・q(t):。(t) “’ (1) 续光滑的信号,对频谱突变信号估计精度不高 】,这几种方 法在低信噪比条件下的效果都不好,这里采用Prony方法估 收稿13期:2006—10—24修回13期:2007—01—15 计信号的瞬时频率,并基于MATLAB实现算法,可获得较高 ..-——303..-—— 维普资讯 http://www.cqvip.com 的精度,特别是在低信噪比条件下优于其他的算法。 式中, Zb: 2 Prony方法 Prony提出使用指数函数的线性组合来描述等间距采样 数据的数学模型,经过适当扩展后,Prony方法可用来估计P 个具有任意幅值、相位、频率与衰减因子的指数函数㈨,即: Z: (n)=∑biz ,n:o,1,o o.,N一1 (/'t)为 (/'t)的近似,b 和 可用下式表示: (3) b=[b-b … ] (13) (14) :【 (O) (1)… (Ⅳ一1)1 指数模型中幅值 .、相位0 、衰减因子 、频率 可从系数 b。=A。exp( ) (4) =exp[( 。+ ) ] (5) Pmny极点z和系数b中求得。 式中, 为幅值,0 为相位,Ot 为衰减因子 为频率, 采样 3瞬时频率的Prony方法提取 间隔。 构造代价函数: =∑l (n)一 (n)l (6) Prony方法的关键是认识到式(3)的拟合是一常系数线 性差分方程的齐次解,为了推导该线性差分方程,定义特征 多项式 +G1z +G2Z 的根中得到[J0],由下式计算: ):n( ): (7) 并定义: (n)=∑Gie(n—i),n:P,…,N一1 (8) r( √)=∑ n-j)・ (n— ),ij=o 1一,P(9) 【l。 :r( 。12 ,。0 1 ri) :r:( 。2 ,1 ;) r:( o21 ,2=2 0, [ 12 ]=[IL 0 ]cJl ( 16) 如果使∑l (n)l 最小化,可得到Prony方法的法方程 形式: 。 1● ●●,●●●●j矿  r(0,0) r(0,1) r(0,P) s p L r(1,),1r(1,0) r(1,1) r(1,P) 0 r(2 1,  r(2,刘2 )儿口2 J 一 rL ,)(2。0 J (1O) ● : ,L:  ● I r(p,0) r(p,1)2  r(p,P) O 求此法方程,即可得系数a。,n ,…, 和最小误差能量 的 f一糟 估计值。求得系数后就可求得特征多项式:1+n z +…+ 筹 播音 GIz =0的根 称为Prony极点,这样指数模型式(3)可简 化为未知参数b 的线性方程,用矩阵形式表示: ,…1哪c…。 。if . ‘  币 亍 ( : : 2=!币 赢 【 : : 2 亏 而 (19) 3.2 MATLAB实现 r20(i)=0;r12(i)=0;rl0(i):O;r22(i):0;rl1(i): Prony方法提取信号瞬时频率的算法流程图如下所示, O; %初始化r=0 由于算法中用到r(2,0)要从第三个采样点以后开始计算,实 for(t=i: ngtl1) %计算r 际中,由于受噪声的影响,计算出的n 可能会为负,如为负, r20(i)=r20(i)+x(t一2).}x(t); 计算出的瞬时频率为虚数没有意义,故舍去。 r12(i)=r12(i)+x(t一1). x(t一2); 主要程序代码: riO(i)=riO(i)+x(1—2). x(t)); i=3;初始化起始点位置 r22(i)=r22(i)+x(t一2).}x(t一2); while(i<=Lensth rl1(i)=rl1(i)+x(t一1).}x(t一1); —304一 维普资讯 http://www.cqvip.com 图1 Prony方法提取瞬时频率的算法流程图 lBc 6l∞ 0 uc山 F山JJ uc山end 2 0 2 5 0 嘣 r21(i)=r12(i); den(i)=(r21(i)}r12(i)一rl1(i)}r22(i))}(r20(i) }rl1(i)一rlO(i) r21(i)); num(i):r20(i) r12(i)一rlO(i) r22(i); i=i+1; %记录当前计算点的位置 end indices=find(den>0);%舍去小于0的无效点 arg=0.5 Bum(indices)./sqrt(den(indices)); indarg=find(abs(arg)>1); arg(indarg)=sign(arg(indarg)); fnorm=a os(arg)/(2.0 pi);%计算归一化频率 rejratio=length(indices)/length(t);%能有效计算的点的 比例 t=t(indices); %能有效计算的点对应的时问 4仿真及结论 取一待检测信号,由一线性调频信号和高斯白噪声组 成。信号的采样频率为5kHz,数据长度N=1250,信噪比 SNR=20dB,信号的起始归一化频率为0.1,截至频率为0.4, 实验结果如图2所示。 可以看出在t=0.05~0.2之间估计的瞬时频率效果较 好,在信号起点处因为参加运算的点少故精度较差,在信号 终点处受采样倍数降低的影响,故在实际中为了获得较好的 估计精度,采样速率一般应选取信号频率4倍以上。 信号载频为400Hz,采样频率为载频的4倍,取1600Hz, 码元速率为40B,数据长度为800,在信噪比SNR=20dB下 4FSK信号提取的结果如图3所示。 以上述LFM信号为实验对象,信噪比从0到20dB,其它 0 05 01 t/s 015 0 2 0 25 图2 LFM信号瞬时频率提取的结果 2 —— 昌0 .2 图3 4FSK信号瞬时频率提取的结果 参数不变,以Prony、相位建模法、WVD三种不同的方法进行 100次仿真实验,取时间中点附近即:t=0.1~0.2范围内瞬 时频率提取的结果,,均方差(MSE)与信噪比的关系如图4 所示。 要 甥 图4不同信噪比下LFM信号瞬时频率提取的方差 从上述仿真结果中可以看出,在满足一定采样率的条件 下,该方法具有较理想的效果。与相位建模法和WVD法比, 在低信噪比条件下有一定的优势,在这个例子中,信噪比低 于约8dB,Prony方法与其他两种方法比具有明显的优势。 参考文献: [1] Boualem Boashsah.Estimating and interpreting the instnataneous frequency of a signal—part 1:Fundamentals[c].Proceedings of hte IEEE,1992,80(4):52O一538. [2] Wonchul NHo.When is instantaneous frequency the average fer- uqency at each time[J].IEEE Signal Processing Letters,1999,6 (4):78~80. (下转第309页) ---——305---——  F山Jl 维普资讯 http://www.cqvip.com

王炜,杨露菁.一种改进的“当前”统计模型及其自适应滤波算 5结束语 本文针对“当前”加速度模型在实际测量定位中容易出 现模型误差的情况,采用 滤波算法及其改进型“当前”加 速度模型的 滤波算法,对厦门港外GPS实测数据进行统 计滤波,与卡尔曼滤波结果相比,计算简单,无需对系统误差 特性进行实时统计,定位精度提高三倍以上,误差收敛速度 也有大幅提高。基于“当前”加速度模型的 源定位系统,对我国军事导航更有意义。 参考文献: [1]段战胜,韩崇昭,党宏社.最大加速度未知的“当前”统计模型 机动目标跟踪[J].计算机工程与应用,2003,(19):19—22. [2]耿延睿,郭伟,崔中兴.组合导航系统多重衰减因子自适应估 计算法比较研究[J].中国惯性技学报,2004,12(2):18—22. 法[J].系统仿真学报,2005,17(8):2037—2040. 贾志军,单甘霖,程兴亚.GPS动态定位中的自适应扩展卡尔 曼滤波算法[J].军械工程学院学报,2001,13(2):39-43. S Seuo,K Yukihim,I Akihiko.Static Carrier Phase Diferential Positioning by Applying the H Filter[R].IONGPS一99, 1999.1241—1250. 王志贤.最优状态估计与系统辨识[M].西北工业大学出版 社。2004. 滤波算法及 其改进算法,不仅适用于本文,而且,也可以用于北斗三星无 付梦印,邓志红,张继伟.Kalman滤波理论及其在导航系统中 的应用[M].科学出版社,2003. _ [于谋潘军潜德,硕艇新爽士学(,研1院98究导01兵航一种)、制,男战女导作术,汉与者。 族控简制,介辽专宁】业 葫省博芦鞍士岛山研人究,生教现。务为 参海 贾传荧(1940一),男(汉族),上海人,教授,博士生导师。研究方向 为交通信息工程与控制系统、航海动态仿真、智能交通运输。研究成 果“大型船舶操纵模拟器”具有国际先进水平。 f上接第222页) [6] Michael B Gousie,Wm Randolph Franklin.Constructing a DEM from Grid—based Data by Computing Intermediate Contours[C]. GIS’03,November 7—8,2003. 王涌(1974一),女(汉族),辽宁鞍山人,硕士,讲师。研究方向为 [作者简介] 环境场仿真,虚拟现实及实时图像生成。 张尚悦(1970一),男(汉族),浙江慈溪人,博士生, 讲师。研究方向为交通信息工程与控制系统,航海 仿真,计算机图形学。研究成果“综合航海模拟训 练系统”具有先进水平。 f上接第305页) [3]杨小牛,楼才义,徐建良软件无线电原理与应用[M].北京: 电子工业出版社,20O4—4. [10]L B Fertig,J H McClellan.Instntaaneous Frequency Estimation Using Linear Prediction with Comparison to the DESAs[J].IEEE Signal Processing,1996,3(2):54—56. [4] 张贤达.现代信号处理[M].北京:清华大学出版社,2002 —10. [作者简介] 王磊(1981一),男(汉族),安徽舒城人,硕士研 究生,专业为通信与信息系统,主要研究方向为卫 星通信对抗及卫星通信系统仿真。 [5] 张曼,等.利用Hilbert变换提取信号瞬时特征参数的问题研究 [J].电讯技术,2003—4.44—48. [6] 于德介,成琼,程军圣.基于复解析小波变换的瞬时频率分析 方法[J].振动与冲击,2004—1.108—109. [7]赵义正,杨景曙.基于分数阶Fourier变换的瞬时频率估计方 法[J].安徽大学学报,2005—1.44—49. [8]F Rao Taylor.Estimation of the Instntaaneous Frequency Using he t郝士琦(1963一),女(汉族),安徽巢湖人,教授,硕 士生导师,主要研究方向为非线性信号处理、卫星 通信及对抗等。 戎雁(1982一),男(汉族),江苏镇江人,硕士研究生,专业为通信 Discrete Wigner Distribution[J].Electronic Letters,1990.26(4): 246—248. 与信息系统,主要研究方向为卫星CDMA信号侦察。 [9]Gao Jinhuai,Dong Xiaolong,Wang Wenbing.Instantaneous pa— rameters extraction via wayelet trnsaformf J] IEEE Trans on Geo’ science and Remote Sensing,1999,37(2):867—870. ・--——309・--—— 

因篇幅问题不能全部显示,请点此查看更多更全内容