信号処理詳しくないので参考になるかわかりませんが，フーリエ変換を利用してはいかがでしょうか．
スペクトルの周波数と振幅でsin波を推定できるかと思います．DC成分は平均でざっくり推定できますね．
（ノイズがあると位相角はうまく求まらなさそうです．．．）
x1 = 2; % 振幅
x2 = 10; % 基本周波数
x3 = pi/4; % 初期位相
x4 = 0.5; % オフセット
Fs = 1000; % サンプリング周期
Ts = 1/Fs; % サンプリング周波数
L = 500; % 信号長
t = (0:L-1)*Ts; % 時間配列
y = x1*sin(2*pi*x2*t+x3)+x4; % 信号
plot(t,y,'.-');
xlabel('t[s]');
% オフセットは平均で推定
x4est = mean(y)
% フーリエ変換
y = y-mean(y); % DC成分を排除
Y = fft(y);
P2 = abs(Y/L);
P1 = P2(1:L/2+1);
P1(2:end-1) = 2*P1(2:end-1);
f = Fs*(0:(L/2))/L;
tol = 1e-6;
Y(abs(Y) < tol) = 0;
phaseY = unwrap(angle(Y)); % 位相
figure;
subplot(2,1,1); plot(f,P1)
xlabel('f[Hz]');
ylabel('|P1|');
subplot(2,1,2); plot(f,rad2deg(phaseY(1:L/2+1)))
xlabel('f[Hz]');
ylabel('phase[deg]');
