一种多带信号正交压缩采样方法及系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于信号处理技术领域，具体涉及一种多带信号正交压缩采样方法及系 统。【背景技术】
[0002] 在数字通信、雷达和卫星导航等实际应用中，接收的信号通常以多带信号的形式 出现，即接收信号由多个带通信号叠加而成，且每个带通信号（也称为多带信号的子带）的 载频和带宽各不相同。
[0003] 为了有效降低多带信号接收机的硬件复杂度，人们基于带通采样理论提出 了多带信号均匀采样方法。例如文献一（D. M. Akos，M. Stockmaster，J. B. Y. Tsui，and J. Cascheraj "Direct bandpass sampling of multiple distinct RF signals，，'IEEE Trans.Commun.，vol.47，no.7，pp.983-988，Jul.l999.)和文献二（C.H.Tseng and S. C. Chou, "Direct downconversion of multiband RF signals using bandpass sampling，，'IEEE Trans. Wireless Commun. , vol. 5, no. I, pp. 72-76, Jan. 2006.)提出了 多带信号直接均匀采样的方法，该方法通过适当选择采样速率，实现了在较低的采样速 率下用一个模数转换器有效采样多带信号。但是，如文献三（J.Bae and J.Park，"An efficient algorithm for bandpass sampling of multiple RF signals，，'IEEE Signal Process. Lett.，vol. 13, no. 4, pp. 193-196, Apr. 2006.)和文献四（A. Mahajan，M. Agarwal，and A. K. Chaturvedij "A novel method for down-conversion of multiple bandpasssignals，，' IEEE Trans. Wireless Commun. , vol. 5, no. 2, pp. 427-434, Feb. 2006.) 所述的采样速率选择方法表明，当多带信号中的子带较多时，可允许的最小采样速率远大 于信号有效带宽（即所有子带信号的带宽之和）的两倍（理论上可能达到的最小采样速 率，也称作Landau率），且每个子带的载频严重制约了采样速率的选择。当子带带宽较大或 者子带载频不满足要求时，该类方法可容许的最小采样速率将急剧增加。
[0004] 为了有效降低多带信号的采样速率，人们基于广义采样理论发展了一类周期非 均匀米样方法，例如文献五（P. Feng and Y.Bresler，"Spectrum-blind minimum-rate sampling and reconstruction of multiband signals，，'in Proc. IEEE Int. Conf. Acoustics，Speech，Signal Processing(ICASSP)，Mayl996, vol. 3, pp. 1688-1691.)、文献 /\ (Y. P. Lin and P. P. Vaidyanathanj^Periodically nonuniform sampling of bandpass signals，，' IEEE Trans. Circuits Syst. II，vol. 45, no. 3, pp. 340-351，Mar. 1998.)和文献 (Y. P. Lin and P. P. Vaidyanathanj^Periodically nonuniform sampling of bandpass signals，，' IEEE Trans. Circuits Syst. II，vol. 45, no. 3, pp. 340-351，Mar. 1998.)提出的 周期非均匀采样方法，该类方法使用多个采样通道对多带信号直接进行采样，所有采样通 道的采样频率均相同，只是每个采样通道的起始采样时刻不同。周期非均匀采样方法的 总采样频率为所有采样通道的采样频率之和，通过适当选择起始采样时刻可达到信号的 Landau率。但是，该类方法的信号重构性能严重依赖于采样通道起始采样时刻的准确性，这 在实际中难以实现。另外，该方法不能直接提取每个子带信号对应的同相和正交分量，只能 重构出多带信号的Nyquist采样信号。
[0005] 无论是直接均匀采样还是周期非均匀采样，其最小可容许采样频率必须不小于多 带信号有效带宽的2倍。但是，该采样速率极大地限制了可使用信号的范围和数字信号的 获取能力。在一些应用场合，如超宽带通信和雷达、电子侦察等，上述多带信号采样方法将 会要求模数转换器（Analog-to-Digital Converter, ADC)具有大的带宽和动态范围；同时 较高的采样速率产生了大量的采样数据，给后续信号处理带来了巨大的存储和计算压力。 为此，需要发展新的多带信号采样方法，以更低的采样速率获取信号信息。
[0006] 信号米样的根本目的在于获取信号所描述对象的信息量。基于这一目标，在近几 年里，人们发展了全新的信号采样理论：压缩感知（Compressed Sensing)。该采样理论以稀 疏信号/可压缩信号（实际中许多自然和人造信号都具有稀疏特征）为对象，以信号中信 息率（Information Rate)为准则，使得我们可以以远小于Nyquist采样速率获取稀疏信号 的信息。在模拟信号压缩采样中，这种理论又叫做模拟信息转换（Analog-to-Information Conversion, AIC)〇
[0007] 在过去的几年里，人们发展了多种AIC系统，例如随机滤波系统、随机解调系统、 调制宽带转换器系统、正交压缩采样系统等。其中，随机滤波系统和随机解调系统研究的 信号是低通型稀疏信号，只是在实现信号随机化手段方面不同。文献八（M.Mishali and Υ· Eldar,"From theory to practice:Sub-Nyquist sampling of sparse wideband analog signals,，'IEEE J. of Selected Topics on Signal Proc. , vol. 4, no. 2, pp. 375-391, 201 〇.)所述的调制宽带转换器系统以低通型信号框架下的多带信号为研究背景，在多个采样 通道上分别使用不同的周期伪随机序列对多带信号进行调制和低通滤波预处理，然后对预 处理后的信号进行均匀采样。文献九（F. Xi, S.Y. Chen, Z. Liu. "Quadrature compressive sampling for radar signals,，'to appear in IEEE Trans. Signal Process.，2014.)所述 的正交压缩采样系统，与其他AIC系统不同，其以带通信号为研究对象，架构于随机解调和 正交采样原理，实现带通信号的压缩采样，可以直接提取含有有用信息的同相和正交分量。 上述AIC系统使得人们能够以低于Nyquist采样频率（相对于信号最高频率）实现对信号 进行采样，同时恢复带宽内的信号。但是，当处理对象为多带信号时，上述AIC系统均不能 保证以低于Landau率（相对于信号有效带宽）实现信号采样。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的在于提出一种多带信号正交压缩采样方法及系统，该方法和系统能 够实现低于Landau率的多带信号采样速率，该方法和系统还能够直接提取出每个子带信 号对应的同相和正交分量，以满足数字通信、雷达和卫星导航等应用领域的需求。
[0009] 为了解决上述技术问题，本发明提供一种多带信号正交压缩采样方法，包括如下 步骤：
[0010] 步骤101多带信号正交压缩采样：对多带信号进行正交压缩采样，获得低速复压 缩测量；步骤102子带信号与正交压缩采样感知矩阵构建：对多带信号的稀疏先验信息和 步骤101所述的多带信号正交压缩采样过程进行数字建模，构建多带信号正交压缩采样对 应的感知矩阵；步骤103子带信号同相和正交分量提取：使用稀疏信号重构方法，根据步骤 101获得的复压缩测量和步骤102构建的感知矩阵，重构子带信号的稀疏表示系数，获得每 个子带对应的复基带信号；所述步骤101多带信号正交压缩采样包括步骤1011多路复用压 缩采样和步骤1012正交解调。
[0011] 本发明还提供一种实现上述多带信号正交压缩采样方法的系统，包括多路复用压 缩采样模块201、正交解调模块202、感知矩阵构建模块203、基带信号提取模块204 ;所述多 路复用压缩采样模块201用于随机化多带信号的每个子带和带通采样随机调制与带通滤 波预处理后的多带信号，获得带通采样