Single-Tone Frequency Estimation by Weighted Least-Squares Interpolation of Fourier Coefficients

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作者
M. Morelli,Marco Moretti,Antonio A. D’Amico
出处
期刊:IEEE Transactions on Communications [IEEE Communications Society]
卷期号:70 (1): 526-537 被引量:13
标识
DOI:10.1109/tcomm.2021.3120735
摘要

Frequency estimation of a single complex exponential signal embedded in additive white Gaussian noise is a major topic of research in many engineering areas. This work presents further investigations on this problem with regards to the fine estimation task, which is accomplished through a suitable interpolation of the discrete Fourier transform (DFT) coefficients of the observation data. The focus is on fast real-time applications, where iterative estimation methods can hardly be applied due to their latency and complexity. After deriving the analytical expression of the Cramér-Rao bound (CRB) for general values of the system parameters, we present a new DFT interpolation scheme based on the weighted least-squares (WLS) rule, where the optimum weights are precomputed through a numerical search and stored in the receiver. In contrast to many existing alternatives, the proposed method can employ an arbitrary number of DFT samples so as to achieve a good trade-off between system performance and complexity. Simulation results and theoretical analysis indicate that, at sufficiently high signal-to-noise ratios, the estimation accuracy is close to the relevant CRB at any value of the frequency error. This provides some advantage with respect to non-iterative competing schemes, without incurring any penalty in processing requirement.
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