CN101951270A - 一种脉冲超宽带信号的压缩采样接收系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种脉冲超宽带信号的压缩采样接收系统，其特征在于，包括对所述脉冲超宽带信号分多个通道进行并行采样的多通道采样单元，分别向所述多通道采样单元的各通道发送测量波形的测量波形发生器，接收经过所述多通道采样单元采样的测量值的数字后端接收处理组件，所述脉冲超宽带信号为连续的多帧信号，所述测量波形发生器产生的测量波形与进入所述多通道采样单元的脉冲超宽带接收信号不相干，各通道分别根据所述测量波形发生器产生的测量波形对所述脉冲超宽带接收信号进行线性投影，所述数字后端接收处理组件对所述多通道采样单元采样的测量值进行处理。本发明脉冲超宽带信号的压缩采样接收系统，无需高采样速率、无需较长延迟线、无需精确信道估计，能充分挖掘IR-UWB高速率通信与高精度测距的潜能。

Description

一种脉冲超宽带信号的压缩采样接收系统及方法

技术领域

本发明涉及一种脉冲超宽带信号的压缩采样接收系统及方法，尤其涉及一种面向短距无线通信应用的脉冲超宽带信号的低速采样接收系统及接收方法。

背景技术

传统的IR-UWB(Impulse Radio-Ultra WideBand，脉冲超宽带，简称“IR-UWB”)信号接收方案有：全分辨率数字接收机、模拟相关接收机、Rake接收机、能量检测接收机。分别描述如下：

全分辨率数字接收机

对滤除了带外噪声的接收信号采用Nyquist速率甚至更高的速率进行采样，后续所有处理任务均基于对ADC(Analog to Digital Converter，模数转换器，简称“ADC”)输出的高分辨率采样序列的处理。这种接收方式的优点是灵活性高、结构简单、易配置、后续处理能获得的性能较高。

模拟相关接收机

将滤除了带外噪声的接收信号与某一模板信号进行帧长度的相关运算，对相关输出采用帧速率采样，采样结果用于符号判决。根据模板信号获得方式的不同，模拟相关接收机又可细分为传输参考接收机(transmit-reference)、差分传输参考接收机(differential transmit-reference)、以及导频辅助接收机(pilot-assisted)等。这种接收方式的优点是所需采样速率不高。

Rake接收机

将滤除了带外噪声的接收信号送入多个并行的相关检测器，对接收信号中的各路多径信号能量分别收集再合并，合并结果用于符号判决。相关检测器的本地模板是具有不同延迟的单径信号接收波形。与模拟相关接收机一样，这种接收方式所需的采样速率不高。

能量检测接收机

对滤除了带外噪声的接收信号进行能量采样(平方器+积分器)，能量采样间隔通常介于Nyquist采样周期和帧周期之间，后续处理任务均基于对ADC输出的低速率能量采样序列的处理。这种接收方式的优点是结构简单、复杂度低、所需采样速率亦不高。

尽管传统的IR-UWB接收方案各有优点，但也存在问题或缺陷：

全分辨率数字接收机

根据FCC的规定，UWB在无需授权机制下允许的通信频谱范围为3.1～10.6GHz，对如此高频率的信号如果实施Nyquist速率的采样，ADC的速率需达到10GHz级别甚至更高。以现有的硬件水平，用单片ADC芯片实现采样单元显然非常困难，所以很多文献提出了多通道的并行交替采样架构，但需要对多通道的ADCs进行精确的定时控制，电路复杂度极高、功耗与成本也降不下来，与IR-UWB接收机理应做到的“低成本、低功耗”目标相悖。所以这种接收机方案由于ADC速率的瓶颈问题，目前很难投入实际应用，只限于理论研究。

模拟相关接收机

为了从接收信号中获得相关模板(接收信号中对应传输参考信号或导频信号的部分)，接收机硬件结构中需要有较长的延迟线单元，这增加了接收机的硬件复杂度和功耗；此外，模板信号是受噪声污染的，这损害了后续判决的性能，尽管可以使用多个传输参考符号或导频符号的平均接收信号作为模板(平均过程可以消噪)，但这也导致了对模拟延迟线的要求更高，进一步增加了硬件复杂度和功耗；最后，由于采样速率为帧速率，基于此种接收方案无法实现高精度测距定位。

Rake接收机

Rake接收机的每条支路都需匹配接收信号中的一条多径成分，所以其性能严重依赖于信道估计的精确程度，且需要各支路的定时控制精确、产生的相关模板尽量准确、Rake支路数要足够多，所以此类接收机的实际实现亦非常困难、复杂度非常高；信道估计结果中的时延信息可用于测距应用，但视Rake机制的不同(pRake、aRake、sRake等)、以及Rake支路数量的不同，多径成分中的直达单径DP(direct path)能被匹配的概率不一定高，会严重影响测距性能的稳定性。

能量检测接收机

由于是能量采样，这种接收方案对抗噪声的能力非常差，低信噪比情况下几乎不能工作；又由于采样速率低，能量序列的时间分辨率不高，基于这种接收方案能获得的测距精度亦非常有限。

综上，现有的IR-UWB接收方案要么实际实现存在困难，要么不能充分发挥IR-UWB的通信和测距性能优势。

发明内容

本发明解决的技术问题是：通过构建一种脉冲超宽带信号的压缩采样接收系统，克服现有技术中脉冲超宽带信号的采样接收要么硬件复杂度高难以实现，要么通信速率与测距精度有限而不能充分挖掘IR-UWB的通信和测距潜能的问题。

本发明的技术方案是：构建一种脉冲超宽带信号的压缩采样接收系统，包括对所述脉冲超宽带信号分多个通道进行并行采样的多通道采样单元，分别向所述多通道采样单元的各通道发送测量波形的测量波形发生器，接收经过所述多通道采样单元采样的测量值的数字后端处理组件，所述脉冲超宽带信号为连续的多帧信号，所述测量波形发生器产生的测量波形与进入所述多通道采样单元的脉冲超宽带接收信号不相干，各通道分别根据所述测量波形发生器产生的测量波形对所述脉冲超宽带接收信号进行线性投影，所述数字后端处理组件对所述多通道采样单元采样的测量值进行具体任务所需的后续处理。

本发明的进一步技术方案是：所述测量波形的投影区域为[t_start，t_start+T_prj]，所述t_start为投影区域起点相对各帧起点的延迟长度，T_prj为投影长度，多通道并行采样单元的采样周期等于接收信号的帧周期T_f，T_prj不大于T_f。

本发明的进一步技术方案是：所述多通道采样单元中每个通道包括混频器、积分器、及将模拟信号转换为数字信号的模数转换器。

本发明的进一步技术方案是：所述采样接收系统还包括带通滤波器，所述带通滤波器将所述脉冲超宽带接收信号中混有的热噪声信号进行噪声滤除处理，输出滤除了带外噪声的脉冲超宽带信号。

本发明的进一步技术方案是：所述多通道并行采样单元的通道数小于对同一信号进行Nyquist速率采样所需的Nyquist采样点数。

本发明的进一步技术方案是：所述测量波形发生器产生的测量波形包括伪随机波形、正弦波、方波。

本发明的进一步技术方案是：所述采样接收系统还包括反馈回路，所述反馈回路将所述数字后端处理组件的处理结果部分反馈至所述测量波形发生器，测量波形发生器依据反馈信息产生新的测量波形。

本发明的技术方案是：提供一种脉冲超宽带信号的压缩采样接收方法，包括对所述脉冲超宽带信号分多个通道进行并行采样的多通道采样单元，分别向所述多通道采样单元的各通道发送测量波形的测量波形发生器，接收经过所述多通道采样单元采样测量值的数字后端处理组件，所述脉冲超宽带信号的压缩采样接收方法包括如下步骤：

将脉冲超宽带信号分段：按信令方案的约定将脉冲超宽带接收信号划分为以帧长度为单位长度的连续信号分段。

采样分段后的脉冲超宽带信号：将分段后的脉冲超宽带信号送入所述多通道并行采样单元，所述测量波形发生器产生的波形与进入所述多通道采样单元的脉冲超宽带信号不相干，各通道分别根据所述测量波形发生器产生的测量波形对所述脉冲超宽带信号进行线性投影；

对采样的测量值进行后续处理：所述数字后端处理组件对所述多通道采样单元采样的测量值按照实际任务的需求进行后续处理。

本发明的进一步技术方案是：在将脉冲超宽带信号分段步骤前，还包括将所述脉冲超宽带信号中混有的热噪声信号进行噪声滤除处理。

本发明的进一步技术方案是：在对采样的测量值进行后续处理中，还包括将所述数字后端处理组件的处理结果部分反馈至所述测量波形发生器，测量波形发生器依据反馈信息产生新的测量波形。

本发明的技术效果是：本发明脉冲超宽带信号的压缩采样接收系统将脉冲超宽带信号分多个通道进行并行采样，同时各通道对脉冲超宽带信号进行线性投影。本发明脉冲超宽带信号的压缩采样接收系统，无需高采样速率、无需较长延迟线、无需精确信道估计，能充分挖掘IR-UWB高速率通信与高精度测距的潜能。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，对本发明技术方案进一步说明。

如图1所示，本发明的具体实施方式是：本发明构建一种脉冲超宽带信号的压缩采样接收系统，包括对所述脉冲超宽带信号分多个通道进行并行采样的多通道采样单元1，分别向所述多通道采样单元1的各通道发送测量波形的测量波形发生器2，接收经过所述多通道采样单元1采样的测量值的数字后端处理组件3，所述脉冲超宽带信号为连续的多帧信号，所述测量波形发生器2产生的测量波形与进入所述多通道采样单元1的脉冲超宽带信号不相干，各通道分别根据所述测量波形发生器2产生的测量波形对所述脉冲超宽带信号进行线性投影，所述数字后端处理组件3对所述多通道采样单元采样的测量值进行检测、分类、估计或重构等处理。本发明的具体实施例中，所述采样接收系统还包括带通滤波器4，所述带通滤波器4将所述脉冲超宽带信号中混有的热噪声信号进行噪声滤除处理，输出滤除了带外噪声的脉冲超宽带信号。

如图1所示，本发明的具体实施过程如下：r(t)是IR-UWB接收信号，先将接收信号r(t)按信令方案约定的帧长度T_f划分为连续的信号分段，n(t)是接收电路中引入的热噪声，可模拟为均值为零的白高斯过程。接收信号r(t)先通过带通滤波器g(t)，得到滤除了带外噪声的接收信号x(t)，随后x(t)被送入一个并行采样的多通道采样单元1。所述多通道采样单元1共有M_e个通道，各通道均对x(t)作线性投影(此投影过程即称为压缩测量过程)，投影波形由测量波形发生器2单元产生，第m(m＝1，2，…，M_e)个通道的测量波形记为φ_m(t)，投影区域记为[t_start，t_start+T_prj]，其中t_strt为投影区域起点相对各帧起点的延迟，T_prj为投影长度。本发明中设ADC采样周期为T_f，则需满足T_f≥T_prj，则所述多通道采样单元1的等效采样速率为M_e/T_f，设T_prj时长对应的Nyquist采样点数为N，则通常M_e＜＜N，所以此架构的采样速率远小于Nyquist速率。所述多通道采样单元1向所述数字后端处理组件3的一次输入为M_e个测量值(

)，所述数字后端处理组件3通过对一批或多批测量值的处理，完成收发信机交互过程中不同阶段的处理任务(如TOA估计、信道估计、符号解调等)。

本发明中，设对数字后端中重构得到的信号序列所体现出的采样频率的期望值为F′_s(F′_s一般大于或等于Nyquist采样率)，则模拟前端中的各波形信号可以此频率为虚拟采样率进行数字化表示。获得各测量值所使用的测量波形的虚拟采样序列分别对应测量矩阵Ф的一行。按照压缩感知理论，后续重构能成功实施的必要条件是压缩感知矩阵ФΨ(其中Ψ是接收信号x(t)的稀疏表示矩阵)是否具备RIP(restricted isometry property，约束等容特性，简称“RIP”)性质。如果Ф与Ψ是非相干的，则ФΨ可高概率保证RIP性质，所以测量波形发生器2产生的测量波形需选用那些不能被稀疏表达基向量(Ψ的各列)稀疏表示的波形。本发明中，所述多通道并行采样单元的通道数远小于对同一信号进行Nyquist速率采样所需的Nyquist采样点数。

本发明脉冲超宽带信号的压缩采样接收系统，无需高采样速率、无需较长延迟线、无需精确信道估计，能充分挖掘IR-UWB高速率通信与高精度测距的潜能。

如图1所示，本发明的优选实施方式是：所述多通道采样单元中每个通道包括混频器、积分器、以及将模拟信号转换为数字信号的模数转换器。

如图1所示，本发明的优选实施方式是：所述采样接收系统还包括反馈回路5，通过反馈回路5，数字后端处理组件3向测量波形发生器2提供反馈信息，用于对后续测量的投影波形作针对性改进，使得采样架构对接收信号的能量收集更高效。

具体实施过程如下：在不使用反馈回路的情况下，所述测量波形发生器2产生的测量波形为码片速率为F′_s伪随机波形，或者频率随机分布于接收信号频段内的正弦波、方波。在使用反馈回路的情况下，利用IR-UWB信道的准静态特性，可以把后续任务的实施分为两个阶段：第一个阶段中，所述测量波形发生器2产生的测量波形仍然是伪随机波形、正弦波、或方波，依据第一阶段的压缩测量值，数字后端使用非线性优化算法估计出有用信号成分所在的子空间H有K′列，全部抽取自稀疏表达矩阵Ψ)，再将H反馈给所述测量波形发生器2；第二阶段中，所述测量波形发生器2依据反馈信息产生针对性的测量波形，形式为

其中G是M×K′随机生成矩阵，新生成的测量波形仍能完全收集有用信号的信息，但对噪声能量的收集却大为减小，所以压缩测量值的信噪比得以提高，系统性能得到提升。测量波形的个数即对应测量矩阵Ф的行数M，设投影范围内信号的稀疏度为K，本发明中，完美重构信号所需的压缩测量值正比于K(M≥Klog₂N)，通常可使用经验值M≈4K，考虑到IR-UWB信道的可辨析性，稀疏度K可按

估计。实际实施中，由于后续任务(TOA估计、符号解调等)一般并不需要完美重构信号，所需测量值数目可在此基准上适量减少。为减少并行采样架构的测量之路数，M个测量值可分摊到对连续的多帧信号(如D帧)的测量之上，这需要发射端信令方案的配合，即对每帧信号会重复发送D次，即M＝D·M_e。当D＝1时，M_e＝M，此时的压缩测量架构等同于已有文献中的并行随机解调器架构；当D＝M时，M_e＝1，此时的压缩测量架构等同于串行随机解调器架构；一般取1≤D≤M，D越大则通信开销越大、D越小对应的测量支路数(M_e)则越多，所以本发明具体实施时，D应折中设置。最后，本发明中的投影区域[t_start，t_start+T_prj]也是影响采样效率的关键参量，视面向任务的不同，[t_start，t_start+T_prj]的优化设置结果不同。例如：如果面向任务为测距，则投影区域要尽可能短、同时要以高概率包含直达单径DP(direct path)，如果面向任务为通信，则投影区域要能收集尽可能多的信号能量，同时不能太长以致收集到过多噪声能量、且使得测量信号的维度过大。

如图2所示，本发明的具体实施方式是：提供一种脉冲超宽带信号的压缩采样接收方法，包括对所述脉冲超宽带信号分多个通道进行并行采样的多通道采样单元，分别向所述多通道采样单元的各通道发送测量波形的测量波形发生器，接收经过所述多通道采样单元采样测量值的数字后端处理组件，所述脉冲超宽带信号的压缩采样接收方法包括如下步骤：

步骤100：将脉冲超宽带接收信号按信令方案约定划分为单位长度为帧长度的连续信号分段。

步骤200：采样分段后的脉冲超宽带信号，即：将分段后的脉冲超宽带信号送入所述多通道采样单元，所述测量波形发生器产生的波形与进入所述多通道采样单元的脉冲超宽带信号不相干，各通道分别根据所述测量波形发生器产生的测量波形对所述脉冲超宽带信号进行线性投影。所述测量波形的投影区域为[t_start，t_start+T_prj]，所述t_start为投影区域起点相对各帧起点的延迟长度，T_prj为投影长度，多通道并行采样单元的采样周期等于接收信号的帧周期T_f，T_prj不大于T_f。

步骤300：对采样的测量值进行后续处理：所述数字后端处理组件对所述多通道采样单元采样的测量值进行具体任务所需的检测、分类、估计或重构处理。

如图1所示，具体实施过程如下：

r(t)是IR-UWB接收信号，先将接收信号r(t)按信令方案约定的帧长度T_f划分为连续的信号分段，n(t)是接收电路中引入的热噪声，可模拟为均值为零的白高斯过程。接收信号r(t)先通过带通滤波器g(t)，得到滤除了带外噪声的接收信号x(t)，随后x(t)被送入一个并行采样的多通道采样单元1。所述多通道采样单元1共有M_e个通道，各通道均对x(t)作线性投影(此投影过程即称为压缩测量过程)，投影波形由测量波形发生器2单元产生，第m(m＝1，2，…，M_e)个通道的测量波形记为φ_m(t)，投影区域记为[t_start，t_strt+T_prj]，其中t_start为投影区域起点相对各帧起点的延迟，T_prj为投影长度。本发明中设ADC采样周期为T_f，则需满足T_f≥T_prj，则所述多通道采样单元1的等效采样速率为M_e/T_f，设T_prj时长对应的Nyquist采样点数为N，则通常M_e＜＜N，所以此架构的采样速率远小于Nyquist速率。所述多通道采样单元1向所述数字后端处理组件3的一次输入为M_e个测量值

所述数字后端处理组件3通过对一批或多批测量值的处理，完成收发信机交互过程中不同阶段的处理任务(如TOA估计、信道估计、符号解调等)。

本发明中，设对数字后端中重构得到的信号序列所体现出的采样频率的期望值为F′_s(F′_s一般大于或等于Nyquist采样率)，则模拟前端中的各波形信号可以此频率为虚拟采样率进行数字化表示。获得各测量值所使用的测量波形的虚拟采样序列分别对应测量矩阵Ф的一行。按照压缩感知理论，后续重构能成功实施的必要条件是压缩感知矩阵ФΨ(其中Ψ是接收信号x(t)的稀疏表示矩阵)是否具备RIP(restricted isometry property，约束等容特性，简称“RIP”)性质。如果Ф与Ψ是非相干的，则ФΨ可高概率保证RIP性质，所以测量波形发生器2产生的测量波形需选用那些不能被稀疏表达基向量(Ψ的各列)稀疏表示的波形。

本发明脉冲超宽带信号的压缩采样接收系统，无需高采样速率、无需较长延迟线、无需精确信道估计，能充分挖掘IR-UWB高速率通信与高精度测距的潜能。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种脉冲超宽带信号的压缩采样接收系统，其特征在于，包括对所述脉冲超宽带信号分多个通道进行采样的多通道并行采样单元，分别向所述多通道采样单元的各通道发送测量波形的测量波形发生器，接收经过所述多通道采样单元采样的测量值的数字后端接收处理组件，所述脉冲超宽带信号为连续的多帧信号，所述测量波形发生器产生的测量波形与进入所述多通道采样单元的脉冲超宽带信号不相干，各通道分别根据所述测量波形发生器产生的测量波形对所述脉冲超宽带信号进行线性投影，所述数字后端处理组件对所述多通道采样单元采样的测量值后续处理。

2.根据权利要求1所述脉冲超宽带信号的压缩采样接收系统，其特征在于，所述多通道采样单元中每个通道包括混频器、积分器、及将模拟信号转换为数字信号的模数转换器。

3.根据权利要求1所述脉冲超宽带信号的压缩采样接收系统，其特征在于，所述测量波形的投影区域为[t_start，t_start+T_prj]，所述t_start为投影区域起点相对各帧起点的延迟长度，T_prj为投影长度，多通道并行采样单元的采样周期等于接收信号的帧周期T_f，T_prj不大于T_f。

4.根据权利要求1所述脉冲超宽带信号的压缩采样接收系统，其特征在于，所述采样接收系统还包括带通滤波器，所述带通滤波器将所述脉冲超宽带信号中混有的热噪声信号进行噪声滤除处理，输出滤除了带外噪声的脉冲超宽带信号。

5.根据权利要求1所述脉冲超宽带信号的压缩采样接收系统，其特征在于，所述多通道并行采样单元的通道数小于对同一信号进行Nyquist速率采样所需的Nyquist采样点数。

6.根据权利要求1所述脉冲超宽带信号的压缩采样接收系统，其特征在于，所述测量波形发生器产生的测量波形包括伪随机波形、正弦波、方波。

7.根据权利要求1所述脉冲超宽带信号的压缩采样接收系统，其特征在于，所述采样接收系统还包括反馈回路，所述反馈回路将所述数字后端处理组件的处理结果部分反馈至所述测量波形发生器，测量波形发生器依据反馈信息产生新的测量波形。

8.一种脉冲超宽带信号的压缩采样接收方法，包括对所述脉冲超宽带信号分多个通道进行并行采样的多通道采样单元，分别向所述多通道采样单元的各通道发送测量波形的测量波形发生器，接收经过所述多通道采样单元采样测量值的数字后端处理组件，所述脉冲超宽带信号的压缩采样接收方法包括如下步骤：

将脉冲超宽带信号分段：按照信令方案的约定，将脉冲超宽带接收信号划分为以帧长度为单位长度的连续信号分段。

采样分段后的脉冲超宽带信号：将分段后的脉冲超宽带信号送入所述多通道并行采样单元，所述测量波形发生器产生的波形与进入所述多通道采样单元的脉冲超宽带信号不相干，各通道分别根据所述测量波形发生器产生的测量波形对所述脉冲超宽带信号进行线性投影；

对采样的测量值进行后续处理：所述数字后端处理组件对所述多通道采样单元采样的测量值按照实际任务的需求进行后续处理。

9.根据权利要求7所述脉冲超宽带信号的压缩采样接收方法，其特征在于，在对采样单元输出的测量值进行后续处理中，还包括将所述数字后端处理组件的处理结果部分反馈至所述测量波形发生器，测量波形发生器依据反馈信息产生新的测量波形。

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