第 36 卷第 10 期 电 子 与 信 息 学 报 Vol.36No.10
2014 年 10 月 Journal of Electronics & Information Technology Oct. 2014
双向 DFT 对称补偿测相法
黄翔东
*
南 楠 余 佳 王兆华
(天津大学电子信息工程学院 天津 300072)
摘 要:为提高给定数据长度下的相位估计精度,该文提出双向 DFT 对称补偿测相法。该方法对样本做前向和后
向两次 DFT 变换,再从前、后 DFT 谱的对称峰值谱位置做谱综合而提取出中心样点的精确相位信息。基于此,
推导出了相位估计方差的闭合理论表达式,仿真实验验证了该表达式的正确性,并且证明了该文方法的相位估计方
差处于全相位 FFT(apFFT)估计法和两参数克拉美罗限(CRLB)之间。该文方法测相精度高,具有广泛应用前景。
关键词:相位测量;双向 DFT;对称补偿;全相位 FFT(apFFT);克拉美罗限(CRLB)
中图分类号:TM933.3; TN911.72 文献标识码: A 文章编号:1009-5896(2014)10-2526-05
DOI: 10.3724/SP.J.1146.2013.01941
Method of Measuring Phase Using Bi-direcitonal
DFT Symmetric Compensation
Huang Xiang-dong Nan Nan Yu Jia Wang Zhao-hua
(School of Electronic Information Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China)
Abstract: In order to increase the phase measurement accuracy of a given fixed amount of samples, this paper
proposes a novel bi-directional DFT symmetric compensation measuring phase method. Through implementing
forward DFT and backward DFT on the given samples respectively, the accurate phase information can be
extracted from the symmetric peak spectral locations of these forward and backward DFT. Based on this, the
theoretic closed-form expression of phase estimation variance of this novel estimator, which is verified by
simulation. Moreover, the simulation results verify that the desired phase estimation variance is between all-phase
FFT (apFFT) and Cramer-Rao Lower Bound (CRLB) of 2 parameters, thus the proposed method has high
accuracy and wide application prospects.
Key words: Phase measurement; Bi-direcitonal DFT; Symmetric compensation; All-phase FFT (apFFT); Cramer-
Rao Lower Bound (CRLB)
1 引言
相位估计
[1 3]−
是在通信
[4]
、GPS导航
[5]
、光学工
程
[6]
等领域广泛遇到的重要问题。离散傅里叶变换
(Discrete Fourier Transform, DFT)常用来作为测相
手段。而克拉美罗界(Cramer-Rao Lower Bound,
CRLB)是衡量测相性能的尺度
[7]
。
对经典复指数信号
00
exp[ ( )]ajnωθ⋅+作相位测
量时,由于涉及估计 3 个参数
T
00
[, , ]a ωθ ,因而相
位估计方差也被 Rife 在文献[7]所推导的三参数
CRLB 所限定。故现有大多数相位估计方法,如矩
形窗谱近似细化法
[8]
、相位差法
[9]
、余弦窗校正法
[10]
、
希尔伯特变换法
[11]
都是在先估计频率的前提下,再
依据频率估计结果去估计相位,这就引起误差扩散
问题。正如文献[10]所指出:“频率估计的偏差会带
2013-12-12 收到,2014-04-11 改回
国家自然科学基金(61271322)资助课题
*通信作者:黄翔东 xdhuang@tju.edu.cn
入到相位估计中,从而增加了相位估计的不确定
性。”毫无疑问,这种不确定性使得推导相位估计的
理论性能变得非常困难,因而文献[8-10]的相位估计
法都没有推导出相位估计方差的理论表达式。
为克服以上缺陷,笔者在文献[12]中提出全相位
FFT(all-phase FFT, apFFT)测相法,该方法把‘
0
ω
0
+n θ⋅
’作为整体研究对象,因而相位估计不依赖于
频率估计;而 apFFT 因综合考虑所有包含某样点的
DFT 测相情况而大大提高了测相精度。文献[13]推
导出 apFFT 测相方差理论表达式,文献[14]还证明
apFFT 测相符合两参数(而不是传统的三参数)估计
模型,其相位估计方差突破了传统三参数 CRLB
3
。
然而,文献[14]也指出:apFFT 测相方差离两
参数克拉美罗界 CRLB
2
还有一定距离。因而提高测
相精度成了急需解决的问题。本文提出双向 DFT 对
称补偿法即符合此要求,该方法使用了与 apFFT 同
样长度的样本数据,从前、后向 DFT 中综合了可相
互补偿的相位信息。本文还推导出了新方法的相位