时频信号相位噪声分析与辨识研究

论文摘要

相位噪声辨识是建立相位噪声模型的基础,是精确描述频率稳定度的必要条件,也是卫星导航钟差预报、综合原子时算法的基础,同时,在原子钟控制方面及分析相位噪声对时间同步测量的精度的影响方面具有重要实际意义。本文归纳和整理了相位噪声的在时域与频域上的描述方式,并总结了重叠的方差和总的方差这两种提高方差估计置信度的计算技巧。全面梳理了现有辨识相位噪声的方法,包括斜率法、偏差因子法、LAG1自相关法、小波估计法、噪声分离法的原理。对比分析了这几种方法的优缺点和适用范围,并对LAG1自相关法进行了改进。针对在已知数据数量小于30时,LAG1自相关法不能给出可信的辨识结果的问题。本文借鉴总的方差的数据映射延伸技术,将原始相位数据进行翻转偶对称后,再运用LAG1自相关进行相位噪声辨识,提高相位噪声的辨识正确率。经仿真验证,该方法有效提高了单种相位噪声和两种相邻幂律谱指数的混合噪声的辨识正确率(除了包含调相白噪声的情况)。利用实测铯钟与氢钟、铷钟与氢钟的相位差数据,对比了斜率法、偏差因子法、LAG1自相关法及其改进算法的相位噪声辨识效果。结果表明,斜率法需结合时域与频域两方面的分析,才能给出较好的辨识结果;偏差因子法的辨识结果与斜率法在时域上的分析结果类似;LAG1自相关法虽然在平滑时间较长的情况下,结果有波动,但能给出连续的辨识结果,并从某种程度上指示噪声类型的比重;改进的LAG1自相关法在平滑时间很长(≥104s),采样点数少于30时,在随机游走调频噪声比重较大的情况下,给出了较原LAG1自相关法更平稳的辨识结果,同时,优于该平滑时间内斜率法和偏差因子法的辨识性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 课题背景
• 1.3 国内外研究现状
• 1.4 本文主要工作
• 第二章 频率稳定度的表征
• 2.1 噪声模型
• 2.1.1 基本定义
• 2.1.2 幂律谱模型
• 2.2 时域上各种方差描述
• 2.2.1 阿伦方差及修正的阿伦方差
• 2.2.2 重叠的方差与总的方差
• 2.3 方差与幂律谱模型
• 2.4 小结
• 第三章 相位噪声辨识方法
• 3.1 斜率法
• 3.1.1 算法原理
• 3.1.2 算法局限性
• 3.2 偏差因子法
• 3.2.1 算法原理
• 3.2.2 算法具体步骤
• 3.2.3 算法局限性
• 3.3 LAG1 自相关法
• 3.3.1 算法辨识原理
• 3.3.2 算法具体步骤
• 3.3.3 算法特点与局限性
• 3.4 小波估计法
• 3.5 噪声分离法
• 3.5.1 算法原理
• 3.5.2 算法难点
• 3.6 小结
• 第四章 对LAG1 自相关法的改进
• 4.1 数据映射延伸
• 4.2 辨识正确率仿真结果
• 4.2.1 单种噪声
• 4.2.2 两种相邻指数混合噪声
• 4.3 小结
• 第五章 原子钟相位噪声辨识实例
• 5.1 异常数据的分析与剔除
• 5.1.1 实测原始钟差数据
• 5.1.2 去除异常数据
• 5.2 系统性偏差的估计与去除
• 5.2.1 去除频率偏差
• 5.2.2 去除频率漂移
• 5.2.3 恢复相位数据
• 5.3 方差计算与分析
• 5.4 噪声辨识结果
• 5.4.1 一般结论
• 5.4.2 斜率法
• 5.4.3 偏差因子法
• 5.4.4 LAG1 自相关法
• 5.4.5 改进的LAG1 自相关法
• 5.5 小结
• 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果