调制宽带转换器系统下基于正弦信号获取感知矩阵的信号重构方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及无线通信领域。
【背景技术】
[0002] 近些年来，压缩感知理论不断发展，该理论证明在信号具有稀疏性的前提下，可以 实现信号的同步压缩与采样，然后通过适当的重构算法恢复出原信号。基于压缩感知理论 的欠采样方法能够极大的降低采样速率和所需的存储、传输数据，突破了奎斯特采样定理 的极限，能够广泛的应用与图像处理与信号采集等领域。
[0003] 调制宽带转换器（ModulatedWidebandConverter，MWC)是一种基于压缩感知理 论针对多频带信号的新型欠采样系统。一种典型的调制宽带转换器系统如图1所示。调制 宽带转换器系统由多组相同通道组成，每个通道的主要元件包括如下几部分：乘法器，低通 滤波器和均匀采样模块，多组通道的采样数据共同作用于信号重构模块，信号的处理流程 依次为：混频，低通滤波，均匀采样，信号重构。
[0004] 调制宽带转换器的原理如下：多频带信号进入调制宽带转换器系统，被m个通道 并行接收，m为正整数；每个通道用周期相同但数值不同的周期序列进行调制，调制的目的 在于频谱搬移，调制之后的信号经过低通滤波，滤掉高频部分，留下低频部分。由于低通滤 波器的截止频率较低，所以滤波后信号的带宽变窄，这样就可以用较低的速率对信号进行 采样，获得一系列信号的全局观测数据。然后再进行低速采样，采样时的速率只需要大于最 大低通滤波器频带的宽度即可，所以采样率可以低于信号的奈奎斯特频率。最后再利用计 算求取的系统感知矩阵和相关的信号重构算法，通过感知矩阵与采样信息间的数学关系， 即可从采集到的数据中恢复原信号及其频谱。
[0005] 在调制宽带转换器系统中，感知矩阵的获取一般采用理论计算方法。该方法通过 理论计算得到周期序列的傅里叶级数系数矩阵，之后再和基矩阵相乘得到感知矩阵。在系 统的数值仿真计算中，理论计算方法能够精确的求取系统的感知矩阵，从而保证较高的重 构概率。
[0006] 但是在实际的调制宽带转换器系统中各元件都存在一些非理想特性，例如在实际 低通滤波器中，其通带不平坦，存在过渡带等非理想因素。无法通过理论计算得到精确的模 型，所以使用理论计算方法会导致计算得到的系统感知矩阵不够精确，从而极大的降低了 信号的重构概率。所以一种针对实际调制宽带转换器系统的感知矩阵获取方法急需提出。
【发明内容】
[0007] 本发明为了解决现有的调制宽带转换器系统中采用的理论计算方法获取的感知 矩阵存在精度低及感知矩阵不准确导致的现有的信号重构方法的准确度和信噪比的问题， 提出了调制宽带转换器系统下基于正弦信号获取感知矩阵的信号重构方法。
[0008] 调制宽带转换器系统下基于正弦信号获取感知矩阵的信号重构方法，该方法包括 下述步骤：
[0009] 步骤一、调制宽带转换器系统的信号发生单元产生h个正弦信号和m个混频所需 的周期序列信号，每一个正弦信号输入至调制宽带转换器系统信号处理单元的m路通道；m 个周期序列信号输入至信号处理单元的m路通道，且一一对应；m= 1，2, 3,. ..，N;N为自然 数；h= 1，2, 3，. . .，hQ+l;hQ= (f胃/fp-l)/2 ;fNYQ为正弦信号的奈奎斯特频率；f5为周期序 列的频率；
[0010] 调制宽带转换器系统的信号发生单元产生h个正弦信号，其中，h个正弦信号分别 为：
[0011] 第1个正弦信号々（/)=成如(2;^/ +识,）；其中，0(|为正弦信号的幅值汀(|为正弦 信号的初始频率；％为正弦信号的初始相位；
[0012] 第 2,3,......』个正弦信号.\、(，）=成如(24/>-1) + ./;)，+ 识.,)。
[0013] 步骤二、每一个正弦信号和第m个周期序列信号在信号处理单元内经第m通道乘 法器相乘后，再经过第m通道滤波器滤波、第m通道信号调理器放大后输入至同步采样单 元采样，经过同步采样单元采样后获得i个采样信号Yi [n]，其中n= 1，2,…，N;N为采样 数；，i= 1，2,...，m;
[0014] 步骤三、采样信号yi[n]经过数据扩展后扩展为2q' +1路采样扩展信号，采样扩 展信号表示为yMn']，其中k为整数且ke[_q'，q' ]，n' =1，2,…N' ;N'为采样 扩展信号的采样数；采样扩展信号yik[Y]为待参数估计的正弦信号；q' =〇，l，2，...N; N为自然数；
[0015] 步骤三中所述的采样扩展信号yik[n，]的表示公式为：=汐sin(欣+ 0),其 中及为待估计的幅值，多:为待估计的相位。
[0016] 步骤四、对采样扩展信号yik[n']进行正弦参数评估运算，最后获得采样扩展信 号的评估参数a，b;
[0017] 步骤四中所述的对采样扩展信号yik[n']进行正弦参数评估运算，最后获得采样 扩展信号的评估参数a，b的过程如下：
[0018] 将YikIin']写成下列形式YikIin']=asin?t+bcos?t;其中，《 = 2JT(fp (h-1) +f〇),a-pcos(p,h-Psmcp\
[0019] 通过最小二乘法，利用公式：
【主权项】
1.调制宽带转换器系统下基于正弦信号获取感知矩阵的信号重构方法，其特征在于， 该方法包括下述步骤： 步骤一、调制宽带转换器系统的信号发生单元产生h个正弦信号和m个混频所需的周 期序列信号，每一个正弦信号输入至调制宽带转换器系统信号处理单元的m路通道;m个周 期序列信号输入至信号处理单元的m路通道，且一一对应；m = 1，2, 3,. . .，N ;N为自然数； h = 1，2, 3, . . .，hQ+l ;hQ= (f mQ/fp-l)/2 ;fNYQ为正弦信号的奈奎斯特频率；f p为周期序列 的频率； 步骤二、每一个正弦信号和第m个周期序列信号在信号处理单元内经第m通道乘法器 相乘后，再经过第m通道滤波器滤波、第m通道信号调理器放大后输入至同步采样单元采 样，经过同步采样单元采样后获得i个采样信号Yi [η]，其中η = 1，2,…，N ;N为采样数；， i = 1，2, ...，m ; 步骤三、采样信号Yi[η]经过数据扩展后扩展为2q' +1路采样扩展信号，采样扩展信 号表示为yik[n']，其中k为整数且ke[-q'，q' ]，n' =1，2,…Ν' ;N'为采样扩展 信号的采样数；采样扩展信号yik[Y ]为待参数估计的正弦信号；=〇，l，2，...N;NS 自然数； 步骤四、对采样扩展信号yik[n']进行正弦参数评估运算，最后获得采样扩展信号的 评估参数a，b ; 步骤五、根据公式
计算获得采样扩展信号的待估计幅值根据公式
获得采样扩展信号的待估计相位癸； 步骤六、根据公式
计算获得感知矩阵右半部分Aptjs的第h列系数值； 感知矩阵右半部分
，即矩阵4。3的行数是（2q' +1) ·πι，列数为 心+1 ;其中，输入正弦的初始参数
；Ptl为正弦信号的幅值，灼为正弦信号的 初始相位；i = 1，2, ···!]! ;j表示虚数单位； 步骤七、对感知矩阵右半部分~。5的第2,3,......h列系数值进行镜像共轭转置 计算获得感知矩阵的左半部分
，即矩阵Afcg的行数是 (2q' +1) · m，列数是 h。； 步骤八、将感知矩阵的左半部分Afcg和感知矩阵右半部分A P()S合为一个矩阵，构成调 制宽带转换器系统的感知矩阵夂(2/+1)?1>〇，,,+1)，即感知矩阵的行数为（29/+1)*111，列数为 2h〇+l ； 感知矩阵：
步骤九、根据获得的感知矩阵，利用调制宽带转换器系统对多频带信号进行重构，获得 重构信号。
2. 根据权利要求1所述的调制宽带转换器系统下基于正弦信号获取感知矩阵的信号 重构方法，其特征在于，调制宽带转换器系统的信号发生单元产生h个正弦信号，其中，h个 正弦信号分别为： 第1个正弦信号
；其中，Ptl为正弦信号的幅值；f C1为正弦信号 的初始频率为正弦信号的初始相位； 第2,3,......，h个正弦信号
3. 根据权利要求1所述的调制宽带转换器系统下基于正弦信号获取感知矩阵的 信号重构方法，其特征在于，步骤三中所述的采样扩展信号yik[n']的表示公式为：
,其中#为待估计的幅值，#为待估计的相位。
4. 根据权利要求1所述的调制宽带转换器系统下基于正弦信号获取感知矩阵的信号 重构方法，其特征在于，步骤四中所述的对采样扩展信号yik[n']进行正弦参数评估运算， 最后获得采样扩展信号的评估参数a，b的过程如下： 将 yik[n ' ]写成下列形式 yik[n ' ] = a sin ω?+b cos ;其中，ω = 2 π (fp(h-l)+f〇),
通过最小二乘法，利用公式：
经过计算后得到采样扩展信号的评估参数a，b ;
其中，
ω为正弦信号的角频率；n' =1，2,…Ν' ;N'为采样扩展信号的采样 数。
【专利摘要】调制宽带转换器系统下基于正弦信号获取感知矩阵的信号重构方法，涉及无线通信领域。本发明是为了解决现有的调制宽带转换器系统中采用的理论计算方法获取的感知矩阵存在精度低及感知矩阵不准确导致的现有的信号重构方法的准确度和信噪比的问题。本发明中，输入的正弦信号和周期序列信号经过采用乘法器、滤波器、信号调理器、同步采样后再经过数据扩展和正弦参数估计及镜像共轭转置获得感知矩阵，再利用调制宽带转换器系统对多频带信号进行重构，获得重构信号。该获得感知矩阵精度高，且感知矩阵的结果更加准确，解决了感知矩阵理论构造方法不准确的问题，极大提高了重构概率和信噪比。本发明用于信号重构。
【IPC分类】H03M7-30
【公开号】CN104852744
【申请号】CN201510274805
【发明人】付宁, 张京超, 姚婷婷, 王婷婷, 乔立岩
【申请人】哈尔滨工业大学
【公开日】2015年8月19日
【申请日】2015年5月26日