調制寬帶轉換器系統下基于正弦信號獲取感知矩陣的信號重構方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及無線通信領域。
【背景技術】
[0002] 近些年來，壓縮感知理論不斷發展，該理論證明在信號具有稀疏性的前提下，可以 實現信號的同步壓縮與采樣，然后通過適當的重構算法恢復出原信號。基于壓縮感知理論 的欠采樣方法能夠極大的降低采樣速率和所需的存儲、傳輸數據，突破了奎斯特采樣定理 的極限，能夠廣泛的應用與圖像處理與信號采集等領域。
[0003] 調制寬帶轉換器（ModulatedWidebandConverter，MWC)是一種基于壓縮感知理 論針對多頻帶信號的新型欠采樣系統。一種典型的調制寬帶轉換器系統如圖1所示。調制 寬帶轉換器系統由多組相同通道組成，每個通道的主要元件包括如下幾部分：乘法器，低通 濾波器和均勻采樣模塊，多組通道的采樣數據共同作用于信號重構模塊，信號的處理流程 依次為：混頻，低通濾波，均勻采樣，信號重構。
[0004] 調制寬帶轉換器的原理如下：多頻帶信號進入調制寬帶轉換器系統，被m個通道 并行接收，m為正整數；每個通道用周期相同但數值不同的周期序列進行調制，調制的目的 在于頻譜搬移，調制之后的信號經過低通濾波，濾掉高頻部分，留下低頻部分。由于低通濾 波器的截止頻率較低，所以濾波后信號的帶寬變窄，這樣就可以用較低的速率對信號進行 采樣，獲得一系列信號的全局觀測數據。然后再進行低速采樣，采樣時的速率只需要大于最 大低通濾波器頻帶的寬度即可，所以采樣率可以低于信號的奈奎斯特頻率。最后再利用計 算求取的系統感知矩陣和相關的信號重構算法，通過感知矩陣與采樣信息間的數學關系， 即可從采集到的數據中恢復原信號及其頻譜。
[0005] 在調制寬帶轉換器系統中，感知矩陣的獲取一般采用理論計算方法。該方法通過 理論計算得到周期序列的傅里葉級數系數矩陣，之后再和基矩陣相乘得到感知矩陣。在系 統的數值仿真計算中，理論計算方法能夠精確的求取系統的感知矩陣，從而保證較高的重 構概率。
[0006] 但是在實際的調制寬帶轉換器系統中各元件都存在一些非理想特性，例如在實際 低通濾波器中，其通帶不平坦，存在過渡帶等非理想因素。無法通過理論計算得到精確的模 型，所以使用理論計算方法會導致計算得到的系統感知矩陣不夠精確，從而極大的降低了 信號的重構概率。所以一種針對實際調制寬帶轉換器系統的感知矩陣獲取方法急需提出。
【發明內容】
[0007] 本發明為了解決現有的調制寬帶轉換器系統中采用的理論計算方法獲取的感知 矩陣存在精度低及感知矩陣不準確導致的現有的信號重構方法的準確度和信噪比的問題， 提出了調制寬帶轉換器系統下基于正弦信號獲取感知矩陣的信號重構方法。
[0008] 調制寬帶轉換器系統下基于正弦信號獲取感知矩陣的信號重構方法，該方法包括 下述步驟：
[0009] 步驟一、調制寬帶轉換器系統的信號發生單元產生h個正弦信號和m個混頻所需 的周期序列信號，每一個正弦信號輸入至調制寬帶轉換器系統信號處理單元的m路通道；m 個周期序列信號輸入至信號處理單元的m路通道，且一一對應；m= 1，2, 3,. ..，N;N為自然 數；h= 1，2, 3，. . .，hQ+l;hQ= (f胃/fp-l)/2 ;fNYQ為正弦信號的奈奎斯特頻率；f5為周期序 列的頻率；
[0010] 調制寬帶轉換器系統的信號發生單元產生h個正弦信號，其中，h個正弦信號分別 為：
[0011] 第1個正弦信號々（/)=成如(2;^/ +識,）；其中，0(|為正弦信號的幅值汀(|為正弦 信號的初始頻率；％為正弦信號的初始相位；
[0012] 第 2,3,......』個正弦信號.\、(，）=成如(24/>-1) + ./;)，+ 識.,)。
[0013] 步驟二、每一個正弦信號和第m個周期序列信號在信號處理單元內經第m通道乘 法器相乘后，再經過第m通道濾波器濾波、第m通道信號調理器放大后輸入至同步采樣單 元采樣，經過同步采樣單元采樣后獲得i個采樣信號Yi [n]，其中n= 1，2,…，N;N為采樣 數；，i= 1，2,...，m;
[0014] 步驟三、采樣信號yi[n]經過數據擴展后擴展為2q' +1路采樣擴展信號，采樣擴 展信號表示為yMn']，其中k為整數且ke[_q'，q' ]，n' =1，2,…N' ;N'為采樣 擴展信號的采樣數；采樣擴展信號yik[Y]為待參數估計的正弦信號；q' =〇，l，2，...N; N為自然數；
[0015] 步驟三中所述的采樣擴展信號yik[n，]的表示公式為：=汐sin(欣+ 0),其 中及為待估計的幅值，多:為待估計的相位。
[0016] 步驟四、對采樣擴展信號yik[n']進行正弦參數評估運算，最后獲得采樣擴展信 號的評估參數a，b;
[0017] 步驟四中所述的對采樣擴展信號yik[n']進行正弦參數評估運算，最后獲得采樣 擴展信號的評估參數a，b的過程如下：
[0018] 將YikIin']寫成下列形式YikIin']=asin?t+bcos?t;其中，《 = 2JT(fp (h-1) +f〇),a-pcos(p,h-Psmcp\
[0019] 通過最小二乘法，利用公式：
【主權項】
1.調制寬帶轉換器系統下基于正弦信號獲取感知矩陣的信號重構方法，其特征在于， 該方法包括下述步驟： 步驟一、調制寬帶轉換器系統的信號發生單元產生h個正弦信號和m個混頻所需的周 期序列信號，每一個正弦信號輸入至調制寬帶轉換器系統信號處理單元的m路通道;m個周 期序列信號輸入至信號處理單元的m路通道，且一一對應；m = 1，2, 3,. . .，N ;N為自然數； h = 1，2, 3, . . .，hQ+l ;hQ= (f mQ/fp-l)/2 ;fNYQ為正弦信號的奈奎斯特頻率；f p為周期序列 的頻率； 步驟二、每一個正弦信號和第m個周期序列信號在信號處理單元內經第m通道乘法器 相乘后，再經過第m通道濾波器濾波、第m通道信號調理器放大后輸入至同步采樣單元采 樣，經過同步采樣單元采樣后獲得i個采樣信號Yi [η]，其中η = 1，2,…，N ;N為采樣數；， i = 1，2, ...，m ; 步驟三、采樣信號Yi[η]經過數據擴展后擴展為2q' +1路采樣擴展信號，采樣擴展信 號表示為yik[n']，其中k為整數且ke[-q'，q' ]，n' =1，2,…Ν' ;N'為采樣擴展 信號的采樣數；采樣擴展信號yik[Y ]為待參數估計的正弦信號；=〇，l，2，...N;NS 自然數； 步驟四、對采樣擴展信號yik[n']進行正弦參數評估運算，最后獲得采樣擴展信號的 評估參數a，b ; 步驟五、根據公式
計算獲得采樣擴展信號的待估計幅值根據公式
獲得采樣擴展信號的待估計相位癸； 步驟六、根據公式
計算獲得感知矩陣右半部分Aptjs的第h列系數值； 感知矩陣右半部分
，即矩陣4。3的行數是（2q' +1) ·πι，列數為 心+1 ;其中，輸入正弦的初始參數
；Ptl為正弦信號的幅值，灼為正弦信號的 初始相位；i = 1，2, ···!]! ;j表示虛數單位； 步驟七、對感知矩陣右半部分~。5的第2,3,......h列系數值進行鏡像共軛轉置 計算獲得感知矩陣的左半部分
，即矩陣Afcg的行數是 (2q' +1) · m，列數是 h。； 步驟八、將感知矩陣的左半部分Afcg和感知矩陣右半部分A P()S合為一個矩陣，構成調 制寬帶轉換器系統的感知矩陣夂(2/+1)?1>〇，,,+1)，即感知矩陣的行數為（29/+1)*111，列數為 2h〇+l ； 感知矩陣：
步驟九、根據獲得的感知矩陣，利用調制寬帶轉換器系統對多頻帶信號進行重構，獲得 重構信號。
2. 根據權利要求1所述的調制寬帶轉換器系統下基于正弦信號獲取感知矩陣的信號 重構方法，其特征在于，調制寬帶轉換器系統的信號發生單元產生h個正弦信號，其中，h個 正弦信號分別為： 第1個正弦信號
；其中，Ptl為正弦信號的幅值；f C1為正弦信號 的初始頻率為正弦信號的初始相位； 第2,3,......，h個正弦信號
3. 根據權利要求1所述的調制寬帶轉換器系統下基于正弦信號獲取感知矩陣的 信號重構方法，其特征在于，步驟三中所述的采樣擴展信號yik[n']的表示公式為：
,其中#為待估計的幅值，#為待估計的相位。
4. 根據權利要求1所述的調制寬帶轉換器系統下基于正弦信號獲取感知矩陣的信號 重構方法，其特征在于，步驟四中所述的對采樣擴展信號yik[n']進行正弦參數評估運算， 最后獲得采樣擴展信號的評估參數a，b的過程如下： 將 yik[n ' ]寫成下列形式 yik[n ' ] = a sin ω?+b cos ;其中，ω = 2 π (fp(h-l)+f〇),
通過最小二乘法，利用公式：
經過計算后得到采樣擴展信號的評估參數a，b ;
其中，
ω為正弦信號的角頻率；n' =1，2,…Ν' ;N'為采樣擴展信號的采樣 數。
【專利摘要】調制寬帶轉換器系統下基于正弦信號獲取感知矩陣的信號重構方法，涉及無線通信領域。本發明是為了解決現有的調制寬帶轉換器系統中采用的理論計算方法獲取的感知矩陣存在精度低及感知矩陣不準確導致的現有的信號重構方法的準確度和信噪比的問題。本發明中，輸入的正弦信號和周期序列信號經過采用乘法器、濾波器、信號調理器、同步采樣后再經過數據擴展和正弦參數估計及鏡像共軛轉置獲得感知矩陣，再利用調制寬帶轉換器系統對多頻帶信號進行重構，獲得重構信號。該獲得感知矩陣精度高，且感知矩陣的結果更加準確，解決了感知矩陣理論構造方法不準確的問題，極大提高了重構概率和信噪比。本發明用于信號重構。
【IPC分類】H03M7-30
【公開號】CN104852744
【申請號】CN201510274805
【發明人】付寧, 張京超, 姚婷婷, 王婷婷, 喬立巖
【申請人】哈爾濱工業大學
【公開日】2015年8月19日
【申請日】2015年5月26日