唐济远 袁春姗

（中国船舶集团公司七五〇试验场，昆明，650000）

对于水下探测设备来说，信号检测是难点，也是热门问题。水声环境复杂多变，多数情况下信噪比条件恶劣，频率估计精度差，但实时性要求又较高。如何在工程实践中精确估计未知信号的频率信息，是工程设计人员不断面临的挑战。

在不同的信噪比条件下，不同方法所得到的频率估计精度各不相同，但是，无论采用哪种频率估计方法，其频率估计的均方根误差（Root Mean Square Error，RMSE）都不会小于克拉美-罗界[1]（Cramer-Rao bound，CLRB）。

文献[2]给出了基于Rife算法的频率估计方法，在对输入信号进行一次FFT运算后，利用最大谱线及其左边或右边的一根次大谱线进行插值来确定真实频率位置。该算法只需要一次FFT运算，运算量小，容易硬件实现。Rife方法在量化频率中心区域的频率估计误差很小，但是在量化频率点附近的误差却较大。而修正Rife算法通过对输入信号进行频谱搬移，使得信号的频率始终位于量化频率的中心区域，提高了频率估计精度。

同时，FPGA的并行性好，文献[3]介绍了利用FPGA实现修正 Rife方法的设计思路。本文利用XILINX公司的FFT核[4]，将修正Rife方法在FPGA中进行了硬件实现。FPGA布局布线后的时序仿真表明，本文设计实现了对采样率为200 kHz信号的实时频率估计功能。

1 方法介绍

1.1 Rife方法介绍

当输入信号的频率不在FFT量化频率点处时，直接用 FFT运算的最大谱线位置来估计正弦输入信号的频率，存在量化误差，其误差范围为[-fs/2N，fs/2N]（fs为采样频率，N为FFT点数）。Rife方法利用最大谱线以及与其相邻的次大谱线进行插值估计信号频率。……