自相关算法的AR功率谱估计

经验与交流

EXPERIENCEANDEXCHANGECHINANEWTELECOMMUNICATIONS

自相关算法的AR功率谱估计

何晓卒

刘昌锦

合肥230031)

(解放军炮兵学院四系信息工程教研室

摘要研究了现代功率谱估计中AR模型的自相关算法,并用MATLAB实现了功率谱估计。

关键词AR模型自相关功率谱估计MATLAB

功率谱估计(PSD)是用有限长的数据来估计信号的功率谱,它对于认识一个随机信号或其他应用方面来讲都是重要的,是数字信号处理的重要研究内容之一。功率谱估计可以分为经典谱估计(非参数本文就现代谱估计估计)和现代谱估计(参数估计)。法中用得较多且最具代表性的方法最大熵谱分析法(AR模型法)加以研究,具体分析了AR模型参数自相关算法并用MATLAB工具实现了该算法的功率

谱估计,比较了在不同阶次下的分辨率和检出能力。

1AR模型的基本原理

经典法是按照观察到的N个样本值进行谱估计

的,它认为此N个数据之外的x(n)=0,这显然是不符合实际的,因而导致了方差性能较差,分辨率较低等缺点。如果我们根据已观察到的数据来选择一个正确的模型,认为x(n)是白噪声通过此模型产生的,

(上接59页)

[1]曾家智,向世清.微型计算机系统与接口.成都:电子科技大学出版社[2]王琛.计算机世界编程技巧,19.2000.7.13,H17

[3]余进,黄继武.Windows95下用多线程机制编制串行通信程序.电子技术.1999,(2)

(收稿日期:2008年7月8日)

UsingC++BuildertoRealizeMultithreadingSerial

CommunicationinWindows2000

ZhangQiong

(TheAirForceCommunicatIontrainingCorpsofNanjingMilitaryArea,Nanjing210000,China)

AbstractThispaperhavediscussedmainlyusingc++buildertorealizeMulti-lineserialcommunicationinWindows2000afterin-troducedthegeneralmethodofserialcommunication,havesolvedefficientlyforburstcommunicationrequestrespondproblemintime,andhavegivenspecificcommunicationdemonstrationprogram.Keywords

serialcommunication,WINAPIfunction,interrupt,multithreading

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中国新通信

那么就不必认为N个以外的数据为0了。这就有可能得到比较好的估计。

实际中的随机过程,常常总是可以用一个具有有理分式的传递函数的模型来表示它。

1、a1…ap*e=X0"

令ρ=! e(n)

n=0N-1+p

(6)

=" e*e

(7)

为前向预测误差序列的能量,e(n)对应前后都ρ加窗的情况。

(1)

将(6)式代入(7)式,利用最小平方原来,得

(z)=H

1+! bkz1+! akz

k=1k=1

-k

-k

1、a1…ap*=" X0X0" ρmin,Op*

HTT

(8)

对于此式,当除b0外的所有b1均为零时的形式称为P阶自回归模型即AR模型,又称为全极点模型;当除a0外的所有ak均为零时的形式称为q阶动平均模型即MA模型,又称全零点模型;当ak与b1均

不全为0时的模型称为ARMA模型。当方差为σ的

矩阵积X0X0的每一个元素r'x(i,j)=r'x(m),

m=0,1,…,p

(m)/N就是xN(n)估计出的自相关函数,矩阵r'x

积X0X0/N得到自相关矩阵Rp+1(3式)

(9)Rp+1a=" ρmin,Op*

此式即为Yule-Walker方程,利用Levinson递归求解Yule-Walker方程得到的AR模型的参数等效于前向预测器的系数。AR模型激励白噪声的方差σ

白噪声通过一AR模型时,输出的功率谱密度为

(e)=HPx(e)

jw

jw

σ=

σ1+! ake

k=1jw

-jkw

(2)

由此式可见,要得到Px(e)必须求得a1、a2、a3…)之间的关系,我们可以ap及σ利用AR参数和r(xm

推得它们之间的关系就是Yule-Walker方程;Ra=其中是一个(" σ,O#。

$%%%%%%%%%%%%&

等效于前向预测的最小预测误差功率ρmin。

自相关算法的AR功率谱估计的MATLAB实现用自相关法求得AR模型参数a的参数的估计

2.2

值并算得功率谱估计,下面就以MATLAB工具加以实现。

p+1)阶的自相关矩阵即:

…………

Rp+1=

r(x0)

r(x1)r(xp)

r(x1)r(x0)r(xp-1)

r(xp)r(xp-1)r(x0)’(((((((((((()

(3)

N=3072;%取长度为3072fn=-0.5:1/N:0.5-1/N;

%使用自相关法得到功率谱估计;xpsd=pyulear(x,10,N);%阶次p为10

1、a1…ap*,Op为p×1的全零列向量。解此a="

方程是一个复杂的矩阵求逆数学问题。

2AR模型参数自相关算法及其功率谱估计

的MATLAB的实现

2.1

AR模型参数自相关算法

AR模型参数求解的关键就是简化求逆矩阵的

运算量,当N大时,运算量会很大。因此就有了各种简便的算法,如自相关法、协方差方法、改进Burg法、的协方差法等,下面就自相关法作一简单介绍。

e0,e1,…,ep,…,eN-1+P*令e=+1、a1…ap*a="

(4)(5)

中国新通信2008.8

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EXPERIENCEANDEXCHANGECHINANEWTELECOMMUNICATIONS

pmax=max(xpsd);xpsd=xpsd/pmax;

xpsd=10*log10(xpsd+0.000001);plot(fn,fftshift(xpsd));title('p=10');

取长度为3072,阶次p为20,p为30,使用自相

关法得到功率谱估计

图1,2和3是用自相关法求出的AR谱曲线,阶次p分别为10,20和30。可以看出当阶次较低时当阶次p=30时,(p=10),分辨率和检出能力均不好。

正弦可以分开也可以检出。

3总结

在自相关法中AR功率谱曲线能基本区分间隔

较远的信号,而对间隔极小的频率点分辨率和检出能力不好,必须通过提高阶次而达到效果从而提高对硬件的要求能力。AR模型的阶次p一般事先不知道,需要选定一个稍大的值,在递推过程中确定。对于实际研究时,究竟阶次的取值自还要在实践中对所得结果多次比较后才能确定。文

[1]傅广操等.MATLAB在现代功率谱估计中的应用.电脑学习,2003,(6)算法与实现.北京:清华大学出版社,1997[2]胡广书.数字信号处理理论、

[3]黄志宇等.随机信号的功率谱估计MATLAB的实现.现代电子技术,2002,(3)[4]吴兆熊.数字信号处理.北京:国防工业出版社,1985

[5]黄海波.现代普估计基础上的频谱估计及仿真分析.湖北汽车工业学院学报,2003,(3)

(收稿日期:2008年7月1日)

TheARModelinthefieldofPowerSpectrumEstimateofAuto-CorrelationAlgorithm

HeXiaozu,LiuChangjin

(TheArtilleryAcdemcy,Hefei310014,China)

AbstractKeywords

Thispaperresearchedtheauto-correlationalgorithmofARmodelinmodernspectralestimationandrealizedthespectralARModel,Auto-Correlation,TheEstimateofPowerSpectrum,Matlab

estimationbyMatlab.

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自相关算法的AR功率谱估计

何晓卒

刘昌锦

合肥230031)

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摘要研究了现代功率谱估计中AR模型的自相关算法,并用MATLAB实现了功率谱估计。

关键词AR模型自相关功率谱估计MATLAB

功率谱估计(PSD)是用有限长的数据来估计信号的功率谱,它对于认识一个随机信号或其他应用方面来讲都是重要的,是数字信号处理的重要研究内容之一。功率谱估计可以分为经典谱估计(非参数本文就现代谱估计估计)和现代谱估计(参数估计)。法中用得较多且最具代表性的方法最大熵谱分析法(AR模型法)加以研究,具体分析了AR模型参数自相关算法并用MATLAB工具实现了该算法的功率

谱估计,比较了在不同阶次下的分辨率和检出能力。

1AR模型的基本原理

经典法是按照观察到的N个样本值进行谱估计

的,它认为此N个数据之外的x(n)=0,这显然是不符合实际的,因而导致了方差性能较差,分辨率较低等缺点。如果我们根据已观察到的数据来选择一个正确的模型,认为x(n)是白噪声通过此模型产生的,

(上接59页)

[1]曾家智,向世清.微型计算机系统与接口.成都:电子科技大学出版社[2]王琛.计算机世界编程技巧,19.2000.7.13,H17

[3]余进,黄继武.Windows95下用多线程机制编制串行通信程序.电子技术.1999,(2)

(收稿日期:2008年7月8日)

UsingC++BuildertoRealizeMultithreadingSerial

CommunicationinWindows2000

ZhangQiong

(TheAirForceCommunicatIontrainingCorpsofNanjingMilitaryArea,Nanjing210000,China)

AbstractThispaperhavediscussedmainlyusingc++buildertorealizeMulti-lineserialcommunicationinWindows2000afterin-troducedthegeneralmethodofserialcommunication,havesolvedefficientlyforburstcommunicationrequestrespondproblemintime,andhavegivenspecificcommunicationdemonstrationprogram.Keywords

serialcommunication,WINAPIfunction,interrupt,multithreading

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那么就不必认为N个以外的数据为0了。这就有可能得到比较好的估计。

实际中的随机过程,常常总是可以用一个具有有理分式的传递函数的模型来表示它。

1、a1…ap*e=X0"

令ρ=! e(n)

n=0N-1+p

(6)

=" e*e

(7)

为前向预测误差序列的能量,e(n)对应前后都ρ加窗的情况。

(1)

将(6)式代入(7)式,利用最小平方原来,得

(z)=H

1+! bkz1+! akz

k=1k=1

-k

-k

1、a1…ap*=" X0X0" ρmin,Op*

HTT

(8)

对于此式,当除b0外的所有b1均为零时的形式称为P阶自回归模型即AR模型,又称为全极点模型;当除a0外的所有ak均为零时的形式称为q阶动平均模型即MA模型,又称全零点模型;当ak与b1均

不全为0时的模型称为ARMA模型。当方差为σ的

矩阵积X0X0的每一个元素r'x(i,j)=r'x(m),

m=0,1,…,p

(m)/N就是xN(n)估计出的自相关函数,矩阵r'x

积X0X0/N得到自相关矩阵Rp+1(3式)

(9)Rp+1a=" ρmin,Op*

此式即为Yule-Walker方程,利用Levinson递归求解Yule-Walker方程得到的AR模型的参数等效于前向预测器的系数。AR模型激励白噪声的方差σ

白噪声通过一AR模型时,输出的功率谱密度为

(e)=HPx(e)

jw

jw

σ=

σ1+! ake

k=1jw

-jkw

(2)

由此式可见,要得到Px(e)必须求得a1、a2、a3…)之间的关系,我们可以ap及σ利用AR参数和r(xm

推得它们之间的关系就是Yule-Walker方程;Ra=其中是一个(" σ,O#。

$%%%%%%%%%%%%&

等效于前向预测的最小预测误差功率ρmin。

自相关算法的AR功率谱估计的MATLAB实现用自相关法求得AR模型参数a的参数的估计

2.2

值并算得功率谱估计,下面就以MATLAB工具加以实现。

p+1)阶的自相关矩阵即:

…………

Rp+1=

r(x0)

r(x1)r(xp)

r(x1)r(x0)r(xp-1)

r(xp)r(xp-1)r(x0)’(((((((((((()

(3)

N=3072;%取长度为3072fn=-0.5:1/N:0.5-1/N;

%使用自相关法得到功率谱估计;xpsd=pyulear(x,10,N);%阶次p为10

1、a1…ap*,Op为p×1的全零列向量。解此a="

方程是一个复杂的矩阵求逆数学问题。

2AR模型参数自相关算法及其功率谱估计

的MATLAB的实现

2.1

AR模型参数自相关算法

AR模型参数求解的关键就是简化求逆矩阵的

运算量,当N大时,运算量会很大。因此就有了各种简便的算法,如自相关法、协方差方法、改进Burg法、的协方差法等,下面就自相关法作一简单介绍。

e0,e1,…,ep,…,eN-1+P*令e=+1、a1…ap*a="

(4)(5)

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pmax=max(xpsd);xpsd=xpsd/pmax;

xpsd=10*log10(xpsd+0.000001);plot(fn,fftshift(xpsd));title('p=10');

取长度为3072,阶次p为20,p为30,使用自相

关法得到功率谱估计

图1,2和3是用自相关法求出的AR谱曲线,阶次p分别为10,20和30。可以看出当阶次较低时当阶次p=30时,(p=10),分辨率和检出能力均不好。

正弦可以分开也可以检出。

3总结

在自相关法中AR功率谱曲线能基本区分间隔

较远的信号,而对间隔极小的频率点分辨率和检出能力不好,必须通过提高阶次而达到效果从而提高对硬件的要求能力。AR模型的阶次p一般事先不知道,需要选定一个稍大的值,在递推过程中确定。对于实际研究时,究竟阶次的取值自还要在实践中对所得结果多次比较后才能确定。文

[1]傅广操等.MATLAB在现代功率谱估计中的应用.电脑学习,2003,(6)算法与实现.北京:清华大学出版社,1997[2]胡广书.数字信号处理理论、

[3]黄志宇等.随机信号的功率谱估计MATLAB的实现.现代电子技术,2002,(3)[4]吴兆熊.数字信号处理.北京:国防工业出版社,1985

[5]黄海波.现代普估计基础上的频谱估计及仿真分析.湖北汽车工业学院学报,2003,(3)

(收稿日期:2008年7月1日)

TheARModelinthefieldofPowerSpectrumEstimateofAuto-CorrelationAlgorithm

HeXiaozu,LiuChangjin

(TheArtilleryAcdemcy,Hefei310014,China)

AbstractKeywords

Thispaperresearchedtheauto-correlationalgorithmofARmodelinmodernspectralestimationandrealizedthespectralARModel,Auto-Correlation,TheEstimateofPowerSpectrum,Matlab

estimationbyMatlab.

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