一种基于全相位FFT幅值的频率补偿方法

doi:10.11959/j.issn.2096-3750.2022.00274

物联网学报 ›› 2022, Vol. 6 ›› Issue (2): 10-18.doi: 10.11959/j.issn.2096-3750.2022.00274

• 智能无线定位与跟踪技术 • 上一篇下一篇

一种基于全相位FFT幅值的频率补偿方法

朱颖洁¹^,², 张武雄¹^,³, 易辉跃¹, 许晖¹

¹ 中国科学院上海微系统与信息技术研究所微系统技术实验室，上海 200050
² 中国科学院大学，北京 100049
³ 上海微纳电子研发中心，上海 201210

修回日期:2022-05-09 出版日期:2022-06-30 发布日期:2022-06-01
作者简介:朱颖洁（1998− ），女，中国科学院上海微系统与信息技术研究所硕士生，主要研究方向为信号分析与处理
张武雄（1985− ），男，博士，中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究员，主要研究方向为5G蜂窝移动通信网、物联网、智能传感器等
易辉跃（1970− ），男，博士，中国科学院上海微系统与信息技术研究所副研究员，主要研究方向为信号分析与处理、5G/6G无线通信等
许晖（1976− ），男，中国科学院上海微系统与信息技术研究所高级工程师，主要研究方向为4G/5G/IoT无线通信
基金资助:
上海市自然科学基金资助项目(19ZR1454100);上海市2020年度“科技创新行动计划”基础研究领域项目(20JC1416504)

A frequency offset compensation method based on all phase FFT amplitude

Yingjie ZHU¹^,², Wuxiong ZHANG¹^,³, Huiyue YI¹, Hui XU¹

¹ Key Laboratory of Science and Technology on Micro-System, Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200050, China
² University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
³ Shanghai micro nano electronics research and development center, Shanghai 201210, China

Revised:2022-05-09 Online:2022-06-30 Published:2022-06-01
Supported by:
The Natural Science Foundation of Shanghai(19ZR1454100);The Key Project of Science and Technology Commission of Shanghai Municipality(20JC1416504)

摘要/Abstract

摘要：

距离测量是无线定位技术的重要组成部分而基于毫米波的测距精度取决于差频信号的频率估计，但是现有频率估计算法存在计算量大、精度低等问题。为了提高测距精度，对频率估计算法进行了深入研究，提出了一种基于全相位快速傅里叶变换（apFFT, all phasefast Fourier transform）幅值的频率补偿值和频率估计方法，提升了频率估计的性能。该方法首先基于全相位 FFT 和常规 FFT 频谱之间的关系，估计出信号幅值。而且，利用信号幅值、信号频谱幅值与频率补偿值之间的关系，采用牛顿迭代算法求解出频率补偿值。然后，利用频率补偿值对信号进行移频后再次估计频率补偿值，得到信号频率的最终估计值，并由此计算目标的距离。仿真结果表明所提方法比现有方法具有更高的距离测量精度。

关键词: 毫米波, 定位, 测距, 频率估计

Abstract:

Distance measurement is an important part of the wireless location technology.The ranging accuracy of millimeter wave based distance measurement depends on the frequency estimation accuracy of beat signals from the targets, but the existing frequency estimation algorithms have the shortcomings of either high complexity or low accuracy.In order to improve the ranging accuracy, the frequency compensation value and frequency estimation method based on all phase FFT amplitude was proposed to improve the performance of frequency estimation.Firstly, the signal amplitude was estimated based on the relationship between its all phase FFT and its conventional FFT spectrum.Moreover, using the relationship between the estimated signal amplitude, the signal spectrum amplitude and frequency compensation value, the frequency compensation value was solved by Newton iterative algorithm.Then, the frequency compensation value was used to shift the frequency of the signal, and the frequency compensation value was estimated again to obtain the final estimation value of the signal frequency, from which the distance of the target was calculated.Finally, simulation results were presented to show that the proposed method has higher distance measurement accuracy than the existing methods.

Key words: millimeter wave, localization, distance measurement, frequency estimation

中图分类号:

TN958.94

朱颖洁, 张武雄, 易辉跃, 许晖. 一种基于全相位FFT幅值的频率补偿方法[J]. 物联网学报, 2022, 6(2): 10-18.

Yingjie ZHU, Wuxiong ZHANG, Huiyue YI, Hui XU. A frequency offset compensation method based on all phase FFT amplitude[J]. Chinese Journal on Internet of Things, 2022, 6(2): 10-18.

图/表 8

图1

图2

图3

图4

表1

算法计算量比较"

算法	复数乘法	复数加法
FFT算法	$\frac{N}{2} lb N$	$N lb N$
补零FFT算法	$\frac{M N}{2} lb M N$	$MNlb M N$
CZT算法	$\frac{N}{2} lb N + M N$	$N lb N + M N - 1$
Rife算法	$\frac{N}{2} lb N$	$Nlb N$
M-Rife算法^[8]	$\frac{N}{2} lb N + 2 N$	$N lb N + \frac{4}{3} N$
改进Rife算法^[11]	$\frac{N}{2} lb N + 2 N$	$\frac{N}{2} lb N + 2 N - 1$
Zoom-FFT算法	$N lb N$	$2 N lb N$
所提算法	$\frac{N}{2} lb N + 5 N$	$N lb N + 5 N - 1$

表1

表2

表3

表4

参考文献 19

[1]	张逢飞 . 5G 时代物联网系统中精准定位技术的应用研究[J]. 电子世界, 2022(1): 93-95.
	ZHANG F F . Research on the application of precise positioning tech-nology in the Internet of things system in 5G Era[J]. Electronics World, 2022(1): 93-95.
[2]	杜瑞 . 基于雷达系统的路面目标识别关键技术研究[D]. 西安:西北工业大学, 2018.
	DU R . Research on ground target identification through radar sys-tem[D]. Xi'an:Northwestern Polytechnical University, 2018.
[3]	罗东, 钱玲, 闫守洪 ,等. 一种对 FFT 结果再处理以提高测频精度的方法[J]. 电子信息对抗技术, 2021,36(6): 76-78,88.
	LUO D , QIAN L , YAN S H ,et al. A method to improve the accuracy of frequency measurement by reprocessing FFT results[J]. Electronic Information Warfare Technology, 2021,36(6): 76-78,88.
[4]	WEN Z , SUN S . Based on APFFT for OFDM systems the frequency offset estimator design[EB]. 2010.
[5]	王娟娟, 刘云学, 李珂 ,等. 一种快速有效的改进 M-Rife 算法[J]. 空间电子技术, 2017,14(5): 95-98,102.
	WANG J J , LIU Y X , LI K ,et al. A fast and effective M-rife algo-rithm[J]. Space Electronic Technology, 2017,14(5): 95-98,102.
[6]	史丽萍, 谢强, 张廷忠 . 基于改进 M-Rife 算法的谐波分析方法[J]. 电力电容器与无功补偿, 2017,38(1): 123-127,155.
	SHI L P , XIE Q , ZHANG T Z . Harmonic analysis method based on the improved M-rife algorithm[J]. Power Capacitor ＆ Reactive Power Compensation, 2017,38(1): 123-127,155.
[7]	LUO J , CHE Y T , HUANG G M . Frequency estimation based on MLE-M-rife algorithm[C]// Proceedings of 2020 12th International Conference on Advanced Infocomm Technology (ICAIT). Piscataway:IEEE Press, 2020: 64-67.
[8]	崔英杰, 刘云学, 宋健强 ,等. 基于M-Rife算法的梯形波FMCW雷达多目标检测技术研究[J]. 电子设计工程, 2021,29(24): 69-74,79.
	CUI Y J , LIU Y X , SONG J Q ,et al. Research on multi-target detec-tion technology of trapezoidal wave FMCW radar based on M-Rife algorithm[J]. Electronic Design Engineering, 2021,29(24): 69-74,79.
[9]	孙宏军, 王小威 . 基于幅值-相角判据的修正Rife正弦波频率估计算法[J]. 天津大学学报(自然科学与工程技术版), 2018,51(8): 810-816.
	SUN H J , WANG X W . Modified rife algorithm for frequency estima-tion of sinusoid wave based on amplitude and phase criterion[J]. Jour-nal of Tianjin University (Science and Technology), 2018,51(8): 810-816.
[10]	罗佳, 车延庭, 黄光明 . 基于双级 M-Rife 算法的频率测量方法[J]. 电子信息对抗技术, 2020,35(6): 50-53,108.
	LUO J , CHE Y T , HUANG G M . Frequency measurement based on double-M-rife algorithm[J]. Electronic Information Warfare Technol-ogy, 2020,35(6): 50-53,108.
[11]	温兵会, 毛卫宁 . 一种快速有效的正弦波信号频率估计方法[J]. 应用声学, 2020,39(4): 512-517.
	WEN B H , MAO W N . A fast and effective sinusoidal signal frequen-cy estimation[J]. Journal of Applied Acoustics, 2020,39(4): 512-517.
[12]	ZHANG Q , CAI X Y , LI W B ,et al. A detection method of dense harmonics/inter-harmonics based on improved all-phase time-shifting method and zoom FFT[J]. Journal of Physics:Conference Series, 2021,1750(1): 012013.
[13]	SCHERR S , AYHAN S , FISCHBACH B ,et al. An efficient frequency and phase estimation algorithm with CRB performance for FMCW radar applications[J]. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2015,64(7): 1868-1875.
[14]	杜昊辰 . 调频式激光测距差拍信号欠采样频率估计系统设计[D]. 哈尔滨:哈尔滨理工大学, 2019.
	DU H C . Design of undersampling frequency estimation system for frequency modulated laser ranging beat signal[D]. Harbin:Harbin University of Science and Technology, 2019.
[15]	谢胜 . 基于 Rife 算法和相位差法的频率估计算法[J]. 水下无人系统学报, 2018,26(3): 263-266.
	XIE S . Frequency estimation algorithm based on rife algorithm and phase difference correction method[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2018,26(3): 263-266.
[16]	杨志坚, 丁康 . 高斯白噪声背景下时移相位差校正法的频率估计精度分析[J]. 振动工程学报, 2007,20(3): 274-279.
	YANG Z J , DING K . Accuracy analysis of frequency estimated by ap-plying time-shifting correcting method of phase difference inpresence of Gaussian white noise[J]. Journal of Vibration Engineering, 2007,20(3): 274-279.
[17]	王兆华, 黄翔东, 杨尉 . 全相位FFT相位测量法[J]. 世界科技研究与发展, 2007,29(4): 28-32,27.
	WANG Z H , HUANG X D , YANG W . The measuring phase method of all-phase FFT[J]. World Sci-Tech R＆D, 2007,29(4): 28-32,27.
[18]	黄翔东, 王兆华 . 基于全相位频谱分析的相位差频谱校正法[J]. 电子与信息学报, 2008,30(2): 293-297.
	HUANG X D , WANG Z H . Phase difference correcting spectrum me-thod based on all-phase spectrum analysis[J]. Journal of Electronics＆Information Technology, 2008,30(2): 293-297.
[19]	李艳春 . 基于FMCW雷达的多维参数联合估计算法研究[D]. 重庆:重庆邮电大学, 2020.
	LI Y C . Research on FMCW radar based joint estimation algorithm of multidimension aparameters[D]. Chongqing:Chongqing University of Posts and Telecommunications, 2020.

N	FFT	补零FFT	CZT	Rife	M-Rife^[8]	改进Rife^[11]	Zoom-FFT	所提算法
512	0.002 547	0.010 987	0.025 309	0.002 553	0.002 555	0.003 031	0.005 987	0.003 836
1 024	0.005 176	0.022 754	0.060 590	0.005 179	0.005 182	0.006 184	0.012 721	0.007 815
2 048	0.010 510	0.046 963	0.137 543	0.010 512	0.010 515	0.012 647	0.028 644	0.016 064
4 096	0.021 458	0.099 251	0.301 047	0.021 461	0.021 468	0.026 017	0.069 771	0.033 138
8 192	0.044 903	0.209 558	0.652 962	0.044 905	0.044 921	0.054 532	0.196 047	0.069 478

SNR/dB	FFT	补零FFT	CZT	Rife	M-Rife^[8]	改进Rife^[11]	Zoom-FFT	所提算法
-14	8.548 188	8.503 611	8.502 328	8.512 713	8.512 422	8.512 422	8.636 658	8.502 083
-12	8.546 224	8.505 676	8.500 008	8.505 831	8.505 706	8.505 706	8.521 796	8.499 737
-10	8.546 231	8.507 104	8.499 979	8.502 519	8.502 508	8.502 508	8.502 623	8.499 712
-8	8.546 231	8.508 234	8.500 057	8.500 774	8.500 774	8.500 774	8.503 525	8.499 897
-6	8.546 231	8.508 600	8.499 966	8.499 999	8.499 999	8.499 999	8.505 530	8.499 880
-4	8.546 231	8.508 731	8.500 052	8.499 993	8.499 993	8.499 993	8.507 097	8.499 998
-2	8.546 231	8.508 748	8.500 013	8.499 985	8.499 985	8.499 985	8.508 189	8.499 994
0	8.546 231	8.508 748	8.499 956	8.499 983	8.499 983	8.499 983	8.508 611	8.499 992
2	8.546 231	8.508 748	8.499 875	8.499 987	8.499 987	8.499 987	8.508 737	8.499 994
4	8.546 231	8.508 748	8.499 796	8.499 996	8.499 996	8.499 996	8.508 748	8.499 997
6	8.546 231	8.508 748	8.499 726	8.500 005	8.500 005	8.500 005	8.508 748	8.500 002
8	8.546 231	8.508 748	8.499 698	8.499 990	8.499 990	8.499 990	8.508 748	8.499 992
10	8.546 231	8.508 748	8.499 692	8.500 002	8.500 002	8.500 002	8.508 748	8.500 001
12	8.546 231	8.508 748	8.499 692	8.500 001	8.500 001	8.500 001	8.508 748	8.499 999
14	8.546 231	8.508 748	8.499 692	8.499 998	8.499 998	8.499 998	8.508 748	8.499 999

SNR/dB	FFT	补零FFT	CZT	Rife	M-Rife^[8]	改进Rife^[11]	Zoom-FFT	所提算法
-14	0.311 758	0.013 086	0.312 130	0.313 985	0.313 977	0.313 977	2.001 150	0.312 081
-12	0.001 060	0.010 302	0.007 481	0.025 285	0.025 203	0.025 203	0.688 125	0.008 248
-10	0.000 000	0.007 675	0.006 050	0.017 482	0.017 471	0.017 471	0.105 097	0.006 406
-8	0.000 000	0.004 357	0.004 830	0.010 477	0.010 477	0.010 477	0.013 244	0.004 816
-6	0.000 000	0.002 351	0.003 912	0.005 356	0.005 356	0.005 356	0.010 508	0.003 717
-4	0.000 000	0.000 795	0.003 257	0.003 340	0.003 340	0.003 340	0.007 692	0.002 967
-2	0.000 000	0.000 000	0.002 656	0.002 619	0.002 619	0.002 619	0.004541	0.002 321
0	0.000 000	0.000 000	0.002 070	0.002 033	0.002 033	0.002 033	0.002 260	0.001 846
2	0.000 000	0.000 000	0.001 474	0.001 627	0.001 627	0.001 627	0.000 649	0.001 469
4	0.000 000	0.000 000	0.000 914	0.001 296	0.001 296	0.001 296	0.000 000	0.001 170
6	0.000 000	0.000 000	0.000 471	0.001 026	0.001 026	0.001 026	0.000 000	0.000 930
8	0.000 000	0.000 000	0.000 183	0.000 816	0.000 816	0.000 816	0.000 000	0.000 739
10	0.000 000	0.000 000	0.000 000	0.000 646	0.000 646	0.000 646	0.000 000	0.000 582
12	0.000 000	0.000 000	0.000 000	0.000 511	0.000 511	0.000 511	0.000 000	0.000 462
14	0.000 000	0.000 000	0.000 000	0.000 407	0.000 407	0.000 407	0.000 000	0.000 366

一种基于全相位FFT幅值的频率补偿方法

A frequency offset compensation method based on all phase FFT amplitude

在线阅读

PDF下载

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 8

参考文献 19

相关文章 15

Metrics

推荐阅读 0

[1]	申滨, 李银波, 梁枭伟. 基于增强加权质心定位的认知物联网用户频谱接入控制[J]. 物联网学报, 2023, 7(1): 93-108.
[2]	张在琛, 尤肖虎, 党建, 吴亮, 朱秉诚, 陈绩, 汪磊. 无线光通信与物联网[J]. 物联网学报, 2022, 6(3): 1-13.
[3]	李建东, 杨晶晶, 黄铭. 基于知识图谱的Wi-Fi室内定位技术研究[J]. 物联网学报, 2022, 6(2): 19-25.
[4]	李芬芳, 党小超, 郝占军. 基于三维Voronoi图划分的加权混合回归定位算法[J]. 物联网学报, 2022, 6(2): 106-116.
[5]	赵小强, 吴帅, 高传义, 李宁, 李波东, 杨小勇. 基于测距修正及改进灰狼优化器的DV-Hop定位算法研究[J]. 物联网学报, 2021, 5(4): 62-70.
[6]	王福展, 朱晓荣, 陈美娟, 朱洪波. 基于生成对抗网络的高精度室内无线定位方法[J]. 物联网学报, 2021, 5(2): 107-115.
[7]	王宁,赵科,周安福,马华东,刘建华,杨宁. 基于毫米波感知的小型无源物体定位追踪[J]. 物联网学报, 2020, 4(2): 105-112.
[8]	常娥,冷卫杰. 工业互联网无线室内定位技术概述[J]. 物联网学报, 2020, 4(2): 129-135.
[9]	尤肖虎, 尹浩, 邬贺铨. 6G与广域物联网[J]. 物联网学报, 2020, 4(1): 3-11.
[10]	叶佳,罗健威,郭仪,潘炜. 面向毫米波无线接入网的数字型光载无线技术[J]. 物联网学报, 2019, 3(4): 17-24.
[11]	桑永胜,李仁昊,李耀仟,王蔷薇,毛耀. 神经形态视觉传感器及其应用研究[J]. 物联网学报, 2019, 3(4): 63-71.
[12]	党小超,司雄,郝占军,黄亚宁,黑毅力. 复杂室内环境下基于CSI的定位方法[J]. 物联网学报, 2018, 2(4): 68-77.
[13]	邓娜,卫海超. 面向毫米波网络定向阵列的一种简单有效的近似模型[J]. 物联网学报, 2018, 2(4): 78-86.
[14]	庞茂,王玫,宋浠瑜,罗丽燕,阮琨. 基于声波测距与PDR融合的手机室内定位方法[J]. 物联网学报, 2018, 2(2): 58-64.
[15]	杨旸,李凯,徐海东,王华俊,王昆仑,李剑,周明拓. 雾计算赋能机器人同步定位与地图构建[J]. 物联网学报, 2018, 2(2): 33-40.