分数阶傅里叶变换的数值计算方法研究
2021-10-14
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总第215期 舰船电子工程 Vol_32 No.5 2012年第5期 Ship Electronic Engineering 55 分数阶傅里叶变换的数值计算方法研究 向崇文 王泽众 黄宇 刘锋 孙雪。 (1.海军航空工程学院电子信息工程系烟台264001)(2.中国人民解放军91960部队汕头515074) 摘要 由于分数阶傅里叶变换(FrFT)N以看做一种统一的时频变换,已经广泛应用于雷达、通信、声纳等信号处理领域。分数阶傅 里叶变换的数值计算是分数阶傅里叶变换走向实际应用的关键。文章首先给出了分数阶傅里叶变换的定义,分析了现有的几种主要的数值 计算方法;然后,重点研究了一种最近由Adhermar Bultheel实现的二相数值算法;最后通过计算机仿真验证,该算法精度高、运算速度更快, 可以进一步贴近工程领域实时性需求。 关键词FrFT;信号处理;数值计算 中图分类号029 Research on the Algorithms for Digital Computation of Fractional Fourier Transform XIANG Chongwen ・ WANG Zezhong HUANG Yu LIU Feng SUN Xue (1.Department of Electronic and Information Engineering,Naval Aeronautical and Astronautical University,Yantai 264001) (2.No.91960 Troops of PLA,Shantou 515074) Abstract As the Fractional Fourier Transform(FrFT)can be seen as an unified time-frequency transform,it has been a powerful tool which can be widely used in such signal processing fields as:radar,communication,sonar,and SO OFt,The fast computation of the FrFT is the a key problem of the practical applications.In this paper,the definition of the FrFT is introduced and several typical algorithms were ana— lyzed.Then,A tw ̄phase implementation of the fractional Fourier transform described by Adhermar Bultheel is studied.By comparison,it has advantages of high precision and fast speed,which can improve the real—time performance in engineering field. Key Words FrFT,signal processing,digital computation Class Number O29 fA exp ( 。 一2tucsca+uz cota)]a≠加 1 引言 (“,£)一 8(u--t) a一 对信号进行分数阶傅里叶变换(FrFT)可以解释为将 l (“+ ) a一(2n土1)n 信号坐标轴在时频平面绕原点逆时针旋转_1]。随着阶数n (2) 从0连续变化到1,表现出信号从时域到频域变化的全部特 式中 征,因此,可以看做是一种统一的时频变换。作为一维线性 A 一 T= 一 1 变换,可以有效地避免信号的交叉项干扰,具有较好的时频  ̄/}SlP, ̄l 聚集性。因此,特别适合于线性调频信号(Chirp)的检测与 (3) 参数估计[ 、时频滤波l3J、目标识别 等用途。 (“)的逆变换为 2分数阶傅里叶变换定义 32( )一 [ (“)]一1 (u)K o(“,t)du(4) √ 分数傅里叶变换算子P通过实变量a将函数.27变换 由上式可知,信号32(t)可以分解为一组系数为X 为X。一P( ),定义可以表述为整体积分变换: (“)的正交Chirp基K一。(“,t)的线性组合。 (“)一{2 Ex(t)2)一I K (“,t)x(t)dt (1) 3分数阶傅里叶变换数值计算 3.1离散分数阶傅里叶变换定义 其中,a为FrFT的阶数,u为分数阶域(FrFD),旋转角 一口 仿照离散傅里叶变换(DFT)的定义,X— 专,则FrFT ̄Ko(“,t)N Ix(O),…,z(N一1)] 的离散分数阶傅里叶变换(DFrFT)可以 *收稿日期:2011年11月22日,修回日期:2011年12月26日 作者简介:向崇文,男,硕士研究生,研究方向:雷达侦察信号处理。王泽众,男,博士研究生,研究方向:复杂调制雷达信号截获与识 别。黄宇,男,博士研究生,研究方向:复杂调制雷达信号截获与识别。刘锋,男,博士,教授,博士生导师,研究方向:电子信息战理论 及应用。孙雪,女,工程师,研究方向:通信信号处理。 56 向崇文等:分数阶傅里叶变换的数值计算方法研究 总第215期 理解为 经过DFrFT算子P作用的结果[5],即 =Pz: N 1 (k)一P32一>:P( ,”) ( ),k一0,…,N一1 =。0 (5) 式中P( , )为DFrFT核矩阵,P—EA E ,F—EAE 为 DFT矩阵的特征值分解。 3.2主要的数值计算方法 按照Pf(志,,z)核矩阵的求法差异,我们可以将近年来 主要的一些分数阶傅里叶变换的数值算法分为以下三 类 : 1)特征分解型 特征分解算法通过求DFT的核矩阵F(k,”)的特征值 和特征向量构造DFT核矩阵的分数幂,以此作为P(尼, ) 来计算DFrFT。Candan等在文献[7]中对DFrFT进行了 详细描述。S.C Pei等在文献E8]提出了一种基于正交投 影的特征分解型算法。此类方法的优点是保持了连续Fr— FT的许多性质,但该法计算复杂度高,不能用来实时处 理。 2)线性组合型 线性组合方法是对特定阶数的一些DFrFT的线性组 合来表示任意阶的DFrFT。文献E9] ̄Q用Taylor级数展开 以及Caylay-Hamilton定理,将其表示为阶数为0,1,2,3的 线性组合。虽然该方法计算量最小,但计算精度太低。文 献E1o]提出了另外一种DFrFT线性组合型算法,将上述特 殊阶数0,1,2,3变为从0阶开始间隔N/4取得N个阶数, 其中N为样本个数。利用FrFT的旋转相加性,可将一次 变换的结果输入到后一次变换,因此算法可以采用串行的 方法实现,可用超大规模集成电路(VLSI)实现。但缺点 是,必须知道至少1个特定阶数变换的结果,同时这些阶数 还与输入信号的样本个数N有关。 3)离散采样型 离散采样型算法实质上是,对连续FrFT的输入输出 信号进行采样获得DFrFT核矩阵。由Ozaktas等学者提出 的计算量与FFT相当的快速近似分数阶傅里叶变换算法 (FAFrFT),其本质是实现信号的离散取样值与连续FrFT 的离散取样值之间的映射,计算复杂度仅为O(NlogN)[11j。 该算法引起了国内外学者的广泛关注,使FrFT从理论逐 步走向工程实践,从而在信号处理领域得到广泛应用。具 体步骤是: t。cola 2tucsca+“ cola—t (cola-cscor)+(£一“) CSCa +“0(co —CSCa) (6) 代入式(1),利用(cota--csca)一一tan( 2)化简得 到: X“(“)一 eXI] (cola—csca)u。]I exp[j=csca(U-- ) ] J ∞ {expEjrct (cola—CSCa)Ix(t)) 一A。exp[--加tan( /2)“。]IJ exp[jrrcsca(“一t)。] {exp[ tan(d/2)] (£)} (7) 令 (j’)一exp(j ̄rx ),这里r可以取两个值 一一 tan(口/2),f—CSCa,定义算子g— ・z,算子h— *g。 式(7)可以进一步简化为 (“)一AT (“)I (“一£)[ (£) (f)] (8) 这类算法将FrFT分解为三个步骤来实现,即步骤一 短 信号先与Chirp信号乘积,步 骤二与Chirp信号卷积运算, . 步骤三与Chirp信号乘积。 图1 FrFT的1相实现原理图 将此类方法实现原理理解为 1相实现,如图1所示。 这类算法的机理决定了运算前,假设信号在时域和频 域上是紧支撑的,然后对时频域进行量纲归一化,时域和频 域都被限定在区间[- ̄/2,z ̄/2],宽度为△,采样点数为N 一△ ,采样间隔1/A一1/ N 。而且每个步骤必须考虑 采样间隔,以符合香农采样定理。考虑到信号与Chirp信 号乘积、卷积运算的Wigner分布区域,需要将支撑区域限 定在区间[一△,△]。为了恢复原来的采样样本值,我们以 采样间隔1/2A获取样本值,从而得到2N个样本值。并得 到离散形式如下: ^ ~ ( )一 ( 2△)至- --n) 2△]丁=("/z△) ( ) (9) 这就是对连续FrFT的近似值,直接对其计算得到的 结果精度低。于是,学者对这类算法进行了改进。目前主 要有两种实现途径:一种是由A.M.Kutay实现,另一种是 由J.O’Neill实现。前者只允许采样点数N为偶数,且a 的取值限定在[一2,2]}后者要求采样点数N为奇数。文 献[5]对两者进行了比较,结果显示后者在实际运算中能得 到更精确的结果,并对后者进行了改进,消除了限制条件, 提出了“最好”的FAFrFT算法,可实现任意的阶数a和采 样点数N的计算。 文献[5]将Ozaktas算法 与Pei算法L8j进行了比较, 前者是一种实现近似计算连续FrFT更直接和快速的方 法,而后者仅当采样点数N比较大时,才可以用于近似计 算连续FrFT。 3.3二相数值算法 Ozaktas等学者提出的FAFrFT算法,得到了广泛应用 与推广。但是,该算法在计算的时候需要上采样,在计算结 束时再下采样,使得计算前后的样本数N一致。从而导致 实际计算过程中,有些数据没有必要计算,延长了算法运算 时间。为避免此情况,文献[12]提出了一种高效的多相算 法,文献El3]提出了一种简化的2相算法。 2相算法在计算过程中。将信号分段成偶数样本和奇 数样本部分,分别对这两个部分进行计算,避免没有必要的 计算,缩短了算法运算时间。假设信号z(t)有N个等l'H】 隔的样本点数 k/aS, 一一 ,…, , 的取值可 以是整数或者半整数。在计算时,N是偶数或者奇数导致 离散样本 ( k)中k一一下N-1,…, 的索引值取得整 数值或者半整数值。不妨设定将 (÷)值存放在偶数索 引项部分,称之为偶数样本。在这些偶数样本之间定义奇 数样本,而这些值是需要通过sinc插值得到的,共有N一1 个样本。 2012年第5期 舰船电子工程 57 偶数样本: 。(砉)一 (丢) N一1— ’ N~1…,T (10) 奇数样本: z ( )=z( )一 zN--1(丢)si叫(2/+1-2 , 一∑ 。( )sinc[2(1一 )+13, 一一T’…,,…, TN--3 (11)ll 上式含有卷积运算,可以等价于两个FFT运算乘积的 逆FFT运算(IFFT)。 依照此思路,按照FrFT的1相实现的 个步骤,可以 得到FrF2、的2相实现口 ,如图2所示。其中A 一 / (2、, 丁)。 图2 FrFT的2相实现原理图 4数值算法性能分析 通过计算机仿真对文献Es]中的算法1与文献[13]算法 2进行比较。仿真平台:cpu Pentium(R)Dual-Core 2GHz, cache1MB,系统windows xp sp3,MATLAB R2009a。设定信 号为Chirp信号,解析式exp(j ̄kF),离散样本个数~一2 , 一6,…15,调频率 一1Hz/s,采样频率 一1000Hz/s。Ⅲ 阶数a等间隔从区间[o,2]取100个点。误差系数如图3所 示,算法运算时间为Matlab的cputime如图4所示。 1 量 兰0 三一 .1 图3 n阶误差系数图 图4两种算法运算时间图 定义误差系数 一 “ max max la < < bs( FrFT)]0}}” 1 ,… (12) 式中abs(・)为取模计算。经计算,Yma 一0.0059。 综合仿真结果可以看出,算法2与算法1的精度相当, 而计算速度有较大的提高。 5 结语 FrFvr是对传统FT的推广,已经广泛应用于雷达、通 信、声纳、水印等许多实际工程领域。由于DFrVT的计算 比DFT的计算要复杂的多,尽管国内外学者提出了很多种 FrFT的快速数值计算方法,但兼顾FrFT的各种性质和实 际计算复杂度,目前还没有一种FrFT的快速计算方法满 足以上所有要求。该文首先给出了分数阶傅里叶变换的整 体积分定义、离散分数阶傅里叶变换定义,对现有的主要几 种数值算法进行了研究和比较,最后基于Matlab分析了一 种二相FrFT快速算法,经比较其计算速度更快、有更好的 实用价值,可以进一步贴近工程领域实时性需求。 参考文献 L1J Almeida I B.The fractional Fourier transform and time—fre quency representations[Jl IEEE Trans on SP,1994,42(11): 3084—309l_ [2]齐林,陶然,周思永,等.基于分数阶fourier变换的多分量LFM 信号的检测和参数估计IJ].中国科学,2003,33(8):749—759. 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