A hybrid phase-based single frequency estimator

The topic of low computational complexity frequency estimation of a single complex sinusoid corrupted by additive white Gaussian noise has received significant attention over the last decades due to the wide applicability of such estimators in a variety of fields. In this letter, we propose a computationally fast and statistically improved hybrid phase-based estimator that outperforms other recently proposed approaches, lowering the signal-to-noise ratio at which the Cramér–Rao lower bound is closely followed

Analysis of processing features of ultrasonic flowmeters with FMCW signals

Поступила: 10.11.2018. Принята в печать: 28.12.2018.Received: 10.11.2018. Accepted: 28.12.2018.Проведен анализ и показана возможность использования ЛЧМ сигналов и гетеродинной схемы приема в УЗ ЛЧМ накладных время-пролетных расходомерах. Показано, что при измерениях расхода по разностям задержек в рамках рассмотренной модели в качестве информационного параметра может быть использована полная фаза сигналов биений (зависимость фазы сигнала от времени). Для данного случая построена модель сигнала биений. Проведен анализ предложенных в литературе, в том числе нами, алгоритмов в классе гладких центральных конечно-разностных оценок и их экспериментальное исследование в рамках поставленной задачи. Полученные результаты подтверждают эффективность рассмотренных методов измерения разностей задержек на практике. Рассмотренные методы позволяют быть реализованными на базе современных микроконтроллеров и при этом являются статистически эффективными в рамках рассмотренной задачи. Результаты проведенной работы доказывают эффективность использования рассмотренной модели сигналов и методов оценки их параметров в задачах измерений расхода при помощи ультразвуковых накладных ЛЧМ расходомеров.The paper deals with the analysis of features of frequency-modulated continuous-wave (FMCW) signals and heterodyne scheme of receiving in ultrasonic clamp-on time-of-flight flowmeters It is demonstrated that the full phase of time relation may be applied as the information parameter in the case of measuring the time delay difference in the considered task. The model of beat signal for this task is proposed. The carried on analysis of existed (including those proposed by authors) algorithms in the class of smooth centroid finite-difference estimators for the task. The attained results prove the effectiveness of the studied methods of measuring the time delay difference in practice. The studied algorithms may be implemented on the base of modern microcontrollers with relatively low computation complexity, being statistically effective within the considered task. The results of the work prove the advantages of the proposed approach for the ultrasonic clamp-on flow measurements

A new carrier frequency estimator for modem signals

Journal ArticleABSTRACT A novel carrier frequency estimation scheme for a relatively broad class of voiceband data signals (modem signals) is presented in this paper. The class of signals being studied includes different types of phase-shift-keyed (PSK) and frequency-shift-keyed (FSK) signals. The frequency estimates are obtained by averaging the estimates of the derivative of the instantaneous signal phase after discarding the estimates at the baud boundaries. Experimental results illustrate that the frequency estimates obtained from our scheme are unbiased and have small variances. Results also show that the carrier frequency estimation scheme presented here is superior to two other techniques in terms of both the mean and variance of the carrier frequency estimates

Анализ особенностей обработки сигналов ультразвуковых расходомеров с линейно-частотно модулированным излучением

Проведен анализ и показана возможность использования ЛЧМ сигналов и гетеродинной схемы приема в УЗ ЛЧМ накладных время-пролетных расходомерах. Показано, что при измерениях расхода по разностям задержек в рамках рассмотренной модели в качестве информационного параметра может быть использована полная фаза сигналов биений (зависимость фазы сигнала от времени). Для данного случая построена модель сигнала биений. Проведен анализ предложенных в литературе, в том числе нами, алгоритмов в классе гладких центральных конечно-разностных оценок и их экспериментальное исследование в рамках поставленной задачи. Полученные результаты подтверждают эффективность рассмотренных методов измерения разностей задержек на практике.Рассмотренные методы позволяют быть реализованными на базе современных микроконтроллеров и при этом являются статистически эффективными в рамках рассмотренной задачи. Результаты проведенной ра-боты доказывают эффективность использования рассмотренной модели сигналов и методов оценки их параметров в задачах измерений расхода при помощи ультразвуковых накладных ЛЧМ расходомеров

МП-ОЦІНКА ЧАСТОТИ КОМПЛЕКСНОЇ ГАРМОНІКИ

The problem of estimation the frequency of a harmonic single-tone signal is relevant in many technical applications: radio monitoring, radar and acoustics, measurement of mechanical vibrations, geophysical signals. Modern radio devices operate with quadrature process that mathematically leads to complex signals processing. The analytical synthesis of the frequency estimate in the article is based on the classical maximum likelihood (ML) method. With the asymptotic assumption of a large ratio of signal to white Gaussian noise power the problem is reduced to a system of two linear equations. It contains the unknown frequency and phase, and the input data consists of full phases of input counts. The calculation algorithm is obtained in explicit analytic form suitable for practical implementation. It is shown that the same system of equations is obtained by the least squares method when frequency is considered as a slope coefficient of a linear regression model of the full phase of the signal. Therefore, the heuristically proposed Tretter’s frequency estimate is a special case of the synthesized ML-estimate of the frequency of the complex harmonic.Проблема оценивания частоты гармонического монохромного сигнала является актуальной во многих технических приложениях: радиомониторинг, радиолокация и акустика, измерение механических вибраций, геофизических сигналов. Современные радиотехнические устройства работают с квадратурными процессами, что математически приводит к обработке комплексных сигналов. Аналитический синтез оценки частоты в статье осуществляется на основе классического метода максимального правдоподобия (МП).  При асимптотическом предположении большого соотношения мощности сигнала к гаусовскому некоррелированному шуму задача сведена к линейной системе двух уравнений относительно неизвестных частоты и фазы, где входными данными являются полные фазы входных отсчётов. Алгоритм расчёта частоты получен в явном аналитическом виде, удобном для практической реализации. Показано, что такая же система уравнений получается при оценивании частоты по методу наименьших квадратов как коэфициента наклона линейной регреcсионной модели полной фазы сигнала. То есть эвристически предложенная  Трэттэром оценка частоты является частным случаем синтезированной МП-оценки частоты комплексной гармоники.Проблема оцінювання частоти гармонічного монохромного сигналу є актуальною для багатьох технічних застосувань: радіомоніторинг, радіолокація та акустика, вимірювання механічних вібрацій, геофізичних сигналів, тощо. Сучасні радіотехнічні пристрої оперують з квадратурними процесами, що математично зводиться до обробки комплексних сигналів. Аналітичний синтез оцінки частоти в роботі здійснюється на підставі класичного методу максимальної правдоподібності (МП).  При цьому за асимптотичного припущення великого співвідношення потужності сигналу до гаусівського некорельованого шуму задача зведена до лінійної системи двох рівнянь відносно невідомих частоти та фази, де вхідними даними є повні фази вхідних відліків. Алгоритм розрахунку частоти отриманий у явному аналітичному вигляді, зручному для практичної реалізації. Показано, що така ж система рівнянь отримується при оцінювання частоти за методом найменших квадратів як коефіцієнту нахилу лінійної регресійної моделі повної фази сигналу. Тобто евристично запропонована Треттером оцінка частоти є частковим випадком синтезованої МП-оцінки частоти комплексної гармоніки

A Carrier Frequency Estimation Method of MPSK Signals and Its Systolic VLSI Implementation

In this paper we present an autocorrelation-based method for estimating the carrier frequency offset of an MPSK signal with random data modulation. Although autocorrelation-based techniques imply heavy usage of hardware resources, this technique is scalable and lends itself well to systolic VLSI implementations. The performance of the open-loop estimator presented is close to the Cramer-Rao lower bound (CRLB) for the frequency estimation from a block of random PSK symbols at low signal-to-noise (SNR) ratios. The estimator can be used in frequency acquisition of burst and continuous modems operating under low SNR and large frequency offset conditions. This paper has been submitted to 33rd Annual Conference on InformationSciences and Systems, March 17-19, 1999, John Hopkins University,Baltimore, Md.</I

High-resolution phase based method for FMCW short range radars

The paper deals with the problem of the using phase-based methods for frequency estimation in the frequency modulated continuum waves (FMCW) short-range radars in the case of high-resolution frequency estimation requirements. The equation is considered for frequency estimation by the least-square method of approximating the phase-to-time relation of the beat signal correlation function in the case of several significant components in the signal (such as valuable and interference signal-like tones). Solution is proposed for the equations by using the parametric (or subspace) decomposition of beat signals (such as eigenvector decomposition, EV). The numerical investigation shows that the bias of the frequency estimations by the proposed solution of the mentioned equation above has statistical properties similar to the method of estimation of signal parameters via rotational invariance techniques (ESPRIT). However, the proposed method does not require the double decompositions, and frequency of each eigenvector can be estimated separately. It is also shown that in the case of the unknown number of signal components the proposed method has the higher statistical properties than for such popular technique as the multiple signal classification method (MUSIC). © 2020 American Institute of Physics Inc.. All rights reserved.The work was supported by Act 211 Government of the Russian Federation, contract N 02.A03.21.0006