非高斯色噪声条件下的最小二乘单音频率估计
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第29卷第7期 2008年7月 通信学报 Jounla/on Communications Vl01.29 NO.7 July 2008
非高斯色噪声条件下的最/j,,-.乘单音频率估计
刘双平 ,闻翔 ,王志刚
(1.解放军信息工程大学信息工程学院,河南郑州450002;2.总参第6l研究所,北京100141)
摘要:提出一种非高斯色噪声条件下的最小二乘单音频率估计算法,该算法首先将待估计单音频率搬移至零频
附近,然后通过抽取滤波把噪声转换为高斯白噪声,最后引入相位差分最小二乘频率估计构成整个算法。该方法
摆脱了FF'r类算法频率分辨率的束缚,可以为自动调制识别等应用提供高精度的符号速率估计。
关键词:电子对抗;统计信号处理:最小二乘估计量;符号速率估计;非高斯色噪声
中图分类号:TN971.1 文献标识码:A 文章编号:1000—436X(2008)07.0062—07
Least square single-tone frequency estimator in
non.Gaussian colored noise
LIU Shuang-ping ,WEN Xiang2,WANG Zhi—gang
(1.College ofInformation Engineering,Information Engineering University,Zhengzhou 450002,China;
2.The61stResearchInstitute,PLAGenera/Staff,Beijing 100141,China)
Abstract:A least square frequency estimator of single—tone sinusoidal wave in non—Gaussian colored noise was proposed.
Firstly,the spectral line of symbol—rate—sinusoid to band nearby zero was transferred by a mixer.Then the transferred
signal was filtered and decimated to get a new one in Gaussian white noise.Finally,fine estimation of signal baud was
got by applying least square criterion to the phase difference of extracted sinusoid.Differing from other FFT—based algo—
rithms,the new one overcomes the shortcoming of finite resolving capability in frequency and Can provide more accurate
estimation for automatic modulation recognition and other application.
Key words:electronic countermeasure;smtistical signal processing;least square estimator;symbol rate estimation;
non—Gaussian colored noise
1引言
单音频率估计(STFE,single—tone frequency es—
timation)是个经典课题,其任务是采用统计处理的
方法从被噪声干扰的正弦波信号中提取频率信息。高
斯白噪声是理论分析和工程应用较为常用的噪声模
型,采用该模型的S1]FE算法研究较为成熟ll 】。而
在非高斯或色噪声条件下的STFE算法研究中,背
景的多样性不可避免地导致噪声模型的千差万别,
此类问题的研究很难在统一的框架内进行,是信号
处理领域较为薄弱的研究内容。
收稿日期:2006.03—11;修回日期:2008.03.10 数字调制信号的符号速率估计(DMS—SRE,
symbol rate estimation of digital modulated signals)
为非高斯色噪声条件下的STFE算法研究提供了
一个很好的切入点。众所周知,数字通信就是收
发双方将包含有用信息的离散符号按照一定的速
率映射成基带信号,然后调制到载波的频率、幅
度或相位,通过信道进行交换的过程。在这一过
程中,双方按照事先约定的速率(即符号速率)
交换信息这一点至关重要,因为只有这样接收方
才能从信号中提取出定时信息,正确地将解调出
的基带信号还原为离散符号,从而提取出有用信 维普资讯 http://www.cqvip.com 第7期 刘双平等:非高斯色噪声条件下的最小二乘单音频率估计 ・63・
息。然而在非合作式的通信过程中,符号速率信
息无法直接获取,往往只能基于采集所得的实际
信号估计得到。
数字调制信号的统计特性会以符号时长为周
期规律性变化。循环平稳理论指出,对于此类人
工循环平稳信号进行特定的非线性变换可以产生
对应于符号速率的正弦信号 '9】,所以DMS—SRE
的研究分非线性变换的选择和正弦频率估计2个
方面。与通常情况下的STFE研究不同,DMS—SRE
中的频率估计需要处理非线性变换引入的非高斯
有色噪声。需要强调的是,这种噪声并非通常所
见的那样完全来源于信道,它在很大程度上取决
于信号自身,只是由于任务性质的转变(估计符
号速率而不是信号检测),部分信号能量转变成自
噪声能量。
Rife和Boorstyn给出了高斯白噪声条件下的最
大似然(ML,maximum likelihood)STFE【l J,如果
信噪比足够高,ML.STFE是无偏的,如果信噪比很
低,ML.STFE表现出非线性估计子常见的门限效
应:即当信噪比低于该门限时,估计子的均方误差
(MSE,mean squared error)会显著上升,而在该门
限以上,均方误差可达到理论下界,即克拉米罗限
(CRB,Cram6r rao bound)。ML—STFE可通过快速傅
立叶变换(H fast fourier transformation)实现,如果
希望获得理想的频率分辨率则需要在信号后填充
足够长的零值序列,这样将导致运算量的显著增
加。Tretter对解绕(unwrapping)之后的相位运用
线性回归(1inear regression)得到一种运算量较低
的频率估计子 J,该估计在较高信噪比时同样可以
达到CRB。Kay对差分处理之后的相位运用最小二
乘估计同样得到一种低运算量的频率估计算子I ,
且能回避相位解绕处理。文献【2】和文献【3】的原理相
仿,同样的问题是噪声门限比ML估计高出很多,
而且不会随着信号有效时长的增加而降低;此外,
当待估计正弦信号的数字频率接近+7【或一兀时,估计
误差也会显著上升。Kim和Cox在频率估计之前采
用矩形窗滤波器抑制部分噪声能量[4】,从而达到了
降低噪声门限的目的,只是当频率远离零点时,信
号能量受损会导致估计性能的恶化。Umesh,Fowler
等人采用滤波器组抑制噪声【5I6】,处理中首先确定信
号所在的滤波器以粗略估计频率范围,抽取该滤波
器的输出可进一步精确估计频率;因此他们的算法
与文献【4】不同,不存在频率范围的限制,只是频率 一致性(估计性能随着频率递增呈现周期性波动的
特性)欠佳;不同的是,前者基于FFT完成滤波器
组的功能,后者通过级联的四通道高重叠(highly
overlapped)滤波器完成同样的功能。Brown和Wang
提出了一种迭代线性预测算法(ILP,iterative linear
prediction) J,该算法循环运用线性预测、数字外
差(digitally heterodyning)、滤波抽取等处理,各方
面的性能逼近ML估计。线性预测不具有明显的门
限效应,迭代滤波抽取可以在尽量保留信号能量的
同时逐步抑制噪声,文献【7】的估计性能是将两者有
机结合的结果。
尽管DMS_SRE最终归结为STFE,然而其处
理目前仍旧以FI 之类的搜索为主,这一点可从相
关文献[10,11]窥见一斑。基于FFT的DMS—SRE由
于频率分辨率的束缚,估计性能受到很大限制。现
有STFE算法在性能上可逼近理论值,噪声门限低,
运算量小,频率一致性好,然而由于非高斯色噪声
的条件差异,无法应用于DMS—SRE。
本文将DMS—SRE视为非高斯色噪声条件下的
STFE,进而提出一种相应的最小二乘单音频率估计
算法,该算法首先将待估计单音频率数字外差至零
频附近,然后通过低通滤波以及高倍率数据抽取把
噪声转换为高斯白噪声,最后引入相位差分最小二
乘频率估计构成整个算法。就DMS—SRE而言,该
算法突破了频率分辨率的约束,可以为自动调制识
别等应用提供更高精度的符号速率估计。当然,对
于其他非高斯色噪声条件下的频率估计,本文算法
也有很大的借鉴意义。
论文第2节给出信号模型,第3节给出新算法,
第4节结合Monte Carlo仿真分析算法性能,第5
节是本文的结束语。
2信号模型
如前所述,本文所谓的非高斯色噪声与
DMS—SRE密切相关,限于篇幅,本文仅讨论
PAM/PSK/QAM一类线性调制的DMS—SRE,式(1)
是此类信号的一般表达形式。
(,z )= ∑c(m)h(nTs— )+ (,z )(1)
其中,c( )是第m个调制符号,h(nTs)是基带调制
脉冲, 是采样间隔(其倒数为采样频率Fs=l/Ts),
瓦是符号周期(其倒数为待估计的符号速率
L=I/T ̄),A 是信号增益,取值10‰ ( s
N是符号 维普资讯 http://www.cqvip.com