本發(fā)明屬于信號頻率估計，尤其涉及一種循環(huán)離網(wǎng)閉式補償?shù)某直媛暑l率估計方法、系統(tǒng)、設備及介質(zhì)。

背景技術：

1、信號頻率估計廣泛應用于通信、雷達、聲納和衛(wèi)星導航等多個領域。信號頻率估計是指從含有噪聲信號和干擾信號的接收信號中，準確估計發(fā)射信號的頻率，以便進行信號分析、檢測或預測。在無線通信系統(tǒng)中，頻率估計對于載波同步和信號解調(diào)等至關重要。但由于信道噪聲、頻率偏移以及多普勒效應等因素，發(fā)射信號的頻率可能會發(fā)生偏移。頻率估計通過精準測量來修正頻率偏移量，使接收端同步發(fā)射信號載波，從而減小解調(diào)過程中的誤差和干擾。在雷達和聲納系統(tǒng)中，通過頻率估計能夠檢測目標的運動速度，特別在目標高速運動的情況下，頻率估計可以幫助系統(tǒng)識別目標的動態(tài)特征。衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)中，可以利用信號的頻率特征來進行精確的定位。由于衛(wèi)星與輻射源之間的相對運動，信號在傳播過程中因多普勒效應發(fā)生頻率偏移，測量接收端信號的頻率或頻率變化率，從而獲得精確的位置信息和速度信息。

2、隨著各類現(xiàn)代通信系統(tǒng)對高頻譜效率的需求日益增加，傳統(tǒng)的頻率估計方法面臨著分辨率不足的問題。基于快速傅里葉變換（fft）的頻率估計方法是信號處理中常見的頻率估計技術之一。對采樣后的信號應用fft方法，將時域信號轉(zhuǎn)換為頻域信號，對頻域信號進行頻譜搜索，可以根據(jù)幅度最大值處的位置索引得到信號頻率的粗估計值，由于采樣率和采樣點數(shù)的限制，但該方法的頻率分辨率有限。root-music（root?multiple?signalclassification）算法是music（multiple?signal?classification）算法的改進算法，基于信號的子空間分解來估計信號的頻率；music算法通過對信號協(xié)方差矩陣進行特征值分解，得到信號子空間和噪聲子空間，root-music方法是music方法的一種多項式求根形式，通過求解構造多項式的根，從而估計信號的方向、頻率等參數(shù)。esprit方法利用陣列信號在空間域中的旋轉(zhuǎn)不變性來估計信號的參數(shù)，避免了頻率搜索，適用于陣列信號處理。但以上各類傳統(tǒng)的頻率估計方法存在頻率分辨率不高、對信號模型和陣列結構依賴性強等局限性。

3、因此，亟待解決上述問題。

技術實現(xiàn)思路

1、發(fā)明目的：本發(fā)明的第一目的是提供一種循環(huán)離網(wǎng)閉式補償?shù)某直媛暑l率估計方法，實現(xiàn)高精度的信號頻率估計。

2、本發(fā)明的第二目的是提供一種循環(huán)離網(wǎng)閉式補償?shù)某直媛暑l率估計系統(tǒng)。

3、本發(fā)明的第三目的是提供一種電子設備。

4、本發(fā)明的第四目的是提供一種計算機存儲介質(zhì)。

5、技術方案：為實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明公開了一種循環(huán)離網(wǎng)閉式補償?shù)某直媛暑l率估計方法，包括以下步驟：

6、（1）根據(jù)采樣頻率、采樣點數(shù)、采樣時長對接收信號進行采樣；

7、（2）對信號頻率進行粗估計，獲取頻率初始估計值 f ini；

8、（3）對粗估計后的信號進行泰勒展開，并對展開式進行簡化，建立矩陣方程；

9、（4）應用總體最小二乘法，對頻率初始估計值進行補償；總體最小二乘約束最優(yōu)化問題使用奇異值分解svd求解總體最小二乘的近似解，進而求得頻率初始估計值與真實頻率值之間的差值的估計值，使用該值對頻率估計初始值進行補償；

10、（5）將補償后的值重新作為步驟（3）中的頻率初始估計值，重復步驟（3）~（4），進行循環(huán)補償 n次，獲得頻率估計值 f out。

11、可選的，所述步驟（1）包括如下具體步驟：

12、（1.1）接收信號，

13、（1.2）設置采樣頻率 f s，采樣頻率是指單位時間內(nèi)的采樣次數(shù)，設置采樣點數(shù) n s，采樣點數(shù)是指采樣過程中總共采集的數(shù)據(jù)點個數(shù)，計算總采樣時長為 t s，總采樣時長的計算公式表示為：

14、

15、（1.3）根據(jù)設置的采樣頻率 f s，總采樣時長為 t s，對接收信號進行采樣，采樣后得到 n s個采樣點，采樣后得到信號 s。

16、可選的，所述步驟（3）包括如下具體步驟：

17、（3.1）獲取信號頻率初始估計值的情況下，在不考慮噪聲時，將信號近似為單一的復正弦信號，信號可近似表示為：

18、

19、其中 a表示信號的幅度， f表示信號的頻率， n表示采樣點的索引，表示信號的初始相位；

20、（3.2）對信號在頻率初始估計值 f ini處進行泰勒展開：

21、

22、（3.3）泰勒展開式將信號表示為 f ini處的無窮級數(shù)， f ini為 f的近似值，泰勒級數(shù)中的高階導數(shù)忽略不計，取泰勒級數(shù)的前兩項來近似原函數(shù)，近似后信號表示為：

23、

24、（3.4）簡化后的泰勒展開式可寫成兩個矩陣相乘的形式：

25、

26、其中，δ f=f-f ini，表示頻率初始估計值與真實頻率值之間的差值；

27、（3.5）建立矩陣方程：

28、。

29、可選的，所述步驟（4）包括如下具體步驟：

30、（4.1）根據(jù)建立的矩陣方程，建立總體最小二乘為約束最優(yōu)化問題，考慮矩陣方程為：

31、

32、以上方程也可寫為：

33、

34、其中，定義增廣矩陣b和擾動矩陣d：

35、

36、（4.2）總體最小二乘問題可表示為約束最優(yōu)化問題：

37、

38、其中表示frobenius范數(shù)； range定義為：

39、；

40、（4.3）使用svd-tls算法求解總體最小二乘的近似解，首先計算增廣矩陣b的svd分解并存儲右奇異矩陣v：

41、

42、（4.4）確定b的有效秩 p，b的維度為m*(n+1)；

43、（4.5）計算( p+1)*( p+1)矩陣s( p)：

44、

45、其中， v( i,?j)表示矩陣v第i行第k列上的元素；

46、求s( p)的逆矩陣s-( p)，求出近似解：

47、

48、根據(jù)求出的近似解，可估計出真實頻率和頻率初始估計值之間的差值，實現(xiàn)補償。

49、基于相同的發(fā)明構思，本發(fā)明公開了一種循環(huán)離網(wǎng)閉式補償?shù)某直媛暑l率估計系統(tǒng)，包括：

50、信號采樣模塊，用于根據(jù)采樣頻率、采樣點數(shù)、采樣時長對接收信號進行采樣；

51、頻率粗估模塊，用于對信號頻率進行粗估計，獲取頻率初始估計值 f ini；

52、矩陣構建模塊，用于對粗估計后的信號進行泰勒展開，并對展開式進行簡化，建立矩陣方程；

53、頻率補償模塊，用于應用總體最小二乘法，對頻率初始估計值進行補償；總體最小二乘約束最優(yōu)化問題使用奇異值分解svd求解總體最小二乘的近似解，進而求得頻率初始估計值與真實頻率值之間的差值的估計值，使用該值對頻率估計初始值進行補償；

54、循環(huán)補償模塊，將補償后的值重新作為矩陣構建模塊中的頻率初始估計值，重復執(zhí)行矩陣構建模塊和頻率補償模塊，進行循環(huán)補償 n次，獲得頻率估計值 f out。

55、可選的，所述信號采樣模塊中接收信號，設置采樣頻率 f s，采樣頻率是指單位時間內(nèi)的采樣次數(shù)，設置采樣點數(shù) n s，采樣點數(shù)是指采樣過程中總共采集的數(shù)據(jù)點個數(shù)，計算總采樣時長為 t s，總采樣時長的計算公式表示為：

56、

57、根據(jù)設置的采樣頻率 f s，總采樣時長為 t s，對接收信號進行采樣，采樣后得到 n s個采樣點，采樣后得到信號 s。

58、可選的，所述矩陣構建模塊中獲取信號頻率初始估計值的情況下，在不考慮噪聲時，將信號近似為單一的復正弦信號，信號可近似表示為：

59、

60、其中 a表示信號的幅度， f表示信號的頻率， n表示采樣點的索引，表示信號的初始相位；

61、對信號在頻率初始估計值 f ini處進行泰勒展開：

62、

63、泰勒展開式將信號表示為 f ini處的無窮級數(shù)， f ini為 f的近似值，泰勒級數(shù)中的高階導數(shù)忽略不計，取泰勒級數(shù)的前兩項來近似原函數(shù)，近似后信號表示為：

64、

65、簡化后的泰勒展開式可寫成兩個矩陣相乘的形式：

66、

67、其中，δ f=f-f ini，表示頻率初始估計值與真實頻率值之間的差值；

68、建立矩陣方程：

69、。

70、可選的，所述頻率補償模塊中根據(jù)建立的矩陣方程，建立總體最小二乘為約束最優(yōu)化問題，考慮矩陣方程為：

71、

72、以上方程也可寫為：

73、

74、其中，定義增廣矩陣b和擾動矩陣d：

75、

76、（4.2）總體最小二乘問題可表示為約束最優(yōu)化問題：

77、

78、其中表示frobenius范數(shù)； range定義為：

79、；

80、（4.3）使用svd-tls算法求解總體最小二乘的近似解，首先計算增廣矩陣b的svd分解并存儲右奇異矩陣v：

81、

82、（4.4）確定b的有效秩 p，b的維度為m*(n+1)；

83、（4.5）計算( p+1)*( p+1)矩陣s( p)：

84、

85、其中， v( i,?j)表示矩陣v第i行第k列上的元素；

86、求s( p)的逆矩陣s-( p)，求出近似解：

87、

88、根據(jù)求出的近似解，可估計出真實頻率和頻率初始估計值之間的差值，實現(xiàn)補償。

89、基于相同的發(fā)明構思，本發(fā)明公開了一種電子設備，包括處理器和存儲器，其中，存儲器與所述處理器連接，用于存儲計算機程序；所述處理器被配置為執(zhí)行所述存儲器存儲的計算機程序時，實現(xiàn)如上所述的一種循環(huán)離網(wǎng)閉式補償?shù)某直媛暑l率估計方法。

90、基于相同的發(fā)明構思，本發(fā)明公開了一種計算機存儲介質(zhì)，其特征在于，所述計算機存儲介質(zhì)存儲有計算機程序，該計算機程序被處理器運行，執(zhí)行上述的一種循環(huán)離網(wǎng)閉式補償?shù)某直媛暑l率估計方法。

91、有益效果：與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下顯著優(yōu)點：本發(fā)明先獲得頻率初始估計值，并利用總體最小二乘法等進行頻率補償，再循環(huán)對頻率初始估計值進行補償，使其接近真實頻率值，從而提高頻率估計精度；本發(fā)明可保障在不同信噪比條件下和不同的信號長度條件下，均可有效降低頻率估計的均方誤差；克服了傳統(tǒng)頻率估計方法存在的頻率分辨率不高、對信號模型和陣列結構依賴性強的問題，通過循環(huán)頻率補償，實現(xiàn)超分辨率頻率估計，且能有效提升頻率估計的魯棒性。