CN106031046B - 基于压缩感知的信号处理方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于压缩感知的信号处理方法及装置，所述方法包括：根据输入信号的频谱分布，确定对所述输入信号进行混频后的基带频谱中各信号成分的分布；根据所述各信号成分的分布形成的信号混叠模式的不同，将所述基带频谱进行分段，形成多个频率段；根据所述频率段内的信号混叠模式，确定所述输入信号的最低采样频率，并以大于所述最低采样频率的采样频率对所述输入信号进行采样得到采样信号；根据所述采样信号分别在所述多个频率段的各个频率段中恢复对应的信号成分，并将在所述各个频率段恢复的信号成分进行拼接，完成对所述输入信号的恢复。本发明能以更低的采样速率处理更多的窄带信号，可以灵活地处理各种不同的频域稀疏信号。
Description
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种基于压缩感知的信号处理方法及装置。
背景技术
当信号存在稀疏性时，采样信号往往包含大量的冗余信息，在信号存储和传输之前还要将采样信号进行压缩。因此，在2006年，Terence Tao等人和Donoho同时提出压缩感知概念，即将采样过程和信号压缩过程合并，直接在采样时就根据源信号的稀疏程度确定最低采样率进行采样。压缩感知(compressive sensing)是利用稀疏的或可压缩的信号进行信号重建的理论。压缩感知实现的关键是采集的样本点能够包含源信号尽可能多的信息，即采样算子所构成的域与信号的稀疏域存在很强的非相干性。根据压缩感知技术确定的最低采样率一般低于奈奎斯特(Nyquist)速率，从而大大降低了采样电路的复杂度、成本和功耗。特别是随着通信信号频率和带宽的不断增加，传统的采样电路已经成为通信技术发展的重要瓶颈，而将压缩感知技术应用于通信领域也就尤其重要。
对于具有稀疏特性的宽带模拟通信信号，直接通过低速模数转换器(ADC)采样将导致信号产生不可逆的频谱混叠，从而使信号采样后其中的信息丢失。现有的压缩感知的通信系统采用随机解调器(RD)系统或者调制宽带转换器(MWC)系统的结构，先采用随机序列混频后进行采样，再通过恢复算法恢复信号。
现有RD系统只适用于离散频点的频域稀疏信号，对于大多具有连续频谱的通信信号，RD系统采样恢复会导致比较高的恢复误差，而且计算复杂度很高，不能对信号进行实时恢复。MWC系统采用的随机序列是周期序列，通过MWC系统信号恢复算法，各个子带的信号可以分别恢复出来，然后再根据其它相关信息实现信号的完全复原。现有的MWC系统中由于系统不区分每个信号所占据的子带宽带，ADC最终的采样率是由信号所占据的子带个数决定的，而不是以信号实际的总带宽决定的。即使某信号带宽远小于一个子带宽度，由于它占据了一个子带，就会导致ADC的采样率大幅提升。特别是由于子带的划分是系统的固定参数，不是随着信号改变的，因而信号的频带边界通常与子带边界不对应，从而导致一个频带宽度小于一个子带宽度的信号往往会跨越两个子带，造成ADC采样率不必要的增加。
发明内容
本发明提供一种基于压缩感知的信号处理方法及装置，能以更低的采样速率处理更多的窄带信号，可以灵活地处理各种不同的频域稀疏信号。
本发明第一方面提供了一种基于压缩感知的信号处理方法，所述方法包括：
根据输入信号的频谱分布，确定对所述输入信号进行混频后的基带频谱中的各信号成分的分布；
根据所述各信号成分的分布形成的信号混叠模式的不同，将所述基带频谱进行分段，形成多个频率段，每一个所述频率段对应一种信号混叠模式；
根据所述频率段内的信号混叠模式，确定所述输入信号的最低采样频率，并以大于所述最低采样频率的采样频率对所述输入信号进行采样得到采样信号；
根据所述采样信号分别在所述多个频率段的各个频率段中恢复对应的信号成分，并将在所述各个频率段恢复的信号成分进行拼接，完成对所述输入信号的恢复。
结合第一方面，在第一方面的第一种可能的实施方式中，所述根据所述频率段内的信号混叠模式，确定所述输入信号的最低采样频率，具体包括：
从各个所述频率段中确定出混叠的信号数量最多的频率段，并将所述混叠的信号数量最多的频率段所需要的最低采样频率作为所述输入信号的最低采样频率。
结合第一方面或第一方面的第一种可能的实施方式，在第一方面的第二种可能的实施方式中，所述以大于所述最低采样频率的采样频率对所述输入信号进行采样得到采样信号，具体为：
以采样频率fs对所述输入信号进行采样得到采样信号，其中，fs_min为最低采样频率，Q为所述频率段中混叠的信号数量的最大值，fp为子带带宽，m为系统的通道数量。
结合第一方面，在第一方面的第三种可能的实施方式中，在所述形成多个频率段之后，所述方法还包括：
根据所述多个频率段的各个频率段的信号混叠模式，确定压缩感知采样的观测矩阵A在所述多个频率段的各个频率段对应的子矩阵ASi，其中，i＝1，...，K；
根据所述采样信号分别在所述多个频率段的各个频率段中恢复对应的信号成分，并将在所述各个频率段恢复的信号成分进行拼接，完成整个所述输入信号的恢复，具体包括：
根据信号恢复算法公式分别恢复第i(i＝1，...，K)个频率段的基带频谱，其中，为第i个频率段的子矩阵ASi的摩尔潘若思逆矩阵，ZSi(f)为第i个频率段恢复的基带频谱，y(f)为采样信号的离散傅里叶变换，K为所述基带频谱上形成的频率段的总数量；
将恢复的各个频率段的基带频谱进行拼接得到所述输入信号的整个基带频谱，根据所述拼接得到的基带频谱对所述输入信号进行恢复。
结合第一方面或第一方面的第一种至第三种任一可能的实施方式，在第一方面的第四种可能的实施方式中，在所述根据输入信号的频谱分布，确定对所述输入信号进行混频后的基带频谱中的各信号成分的分布之前，还包括：
对前期接收的输入信号进行检测，得到所述输入信号的频谱分布，并根据所述输入信号的频谱分布进行系统配置；
所述根据所述输入信号的频谱分布进行系统配置，具体包括以下所列中的一种或多种的组合：
配置调整系统的子带带宽fp；或，
动态调整系统的子带带宽fp；或，
调整采样器的采样频率fs；或，
调整滤波器的通带带宽；或
配置通道数量m。
第二方面，本发明还提供了一种基于压缩感知的信号处理装置，所述装置包括：
预处理单元，用于根据输入信号的频谱分布，确定对所述输入信号进行混频后的基带频谱中的各信号成分的分布；并根据所述各信号成分的分布形成的信号混叠模式的不同，将所述基带频谱进行分段，在所述基带频谱上形成多个频率段，每一个所述频率段对应一种信号混叠模式；以及，根据所述频率段内的信号混叠模式，确定所述输入信号的最低采样频率；
采样单元，用于以大于所述预处理单元确定的所述最低采样频率的采样频率对所述输入信号进行采样得到采样信号；
重构单元，用于根据所述采样单元得到的所述采样信号分别在所述预处理单元形成的所述多个频率段的各个频率段中恢复对应的信号成分，并将在所述各个频率段恢复的信号成分进行拼接，完成对所述输入信号的恢复。
结合第二方面，在第二方面的第一种可能的实施方式中，所述预处理单元具体用于从各个所述频率段中确定出混叠的信号数量最多的频率段，并将所述混叠的信号数量最多的频率段所需要的最低采样频率作为所述输入信号的最低采样频率。
结合第二方面或第二方面的第一种可能的实施方式，在第二方面的第二种可能的实施方式中，所述采样单元具体用于以采样频率fs对所述输入信号进行采样得到采样信号，其中，fs_min为最低采样频率，Q为所述频率段中混叠的信号数量的最大值，fp为子带带宽，m为系统的通道数量。
结合第二方面，在第二方面的第三种可能的实施方式中，所述预处理单元在所述基带频谱上形成多个频率段之后，还用于根据所述多个频率段的各个频率段的信号混叠模式，确定压缩感知采样的观测矩阵A在所述各个频率段对应的子矩阵ASi，其中，i＝1，...，K；
所述重构单元具体用于根据信号恢复算法公式分别恢复第i(i＝1，...，K)个频率段的基带频谱，其中，为第i个频率段的子矩阵ASi的转置矩阵，ZSi(f)为第i个频率段恢复的基带频谱，y(f)为待恢复的信号，K为所述基带频谱上形成的频率段的总数量；
所述重构单元还具体用于将恢复的各个频率段的基带频谱进行拼接得到所述输入信号的整个基带频谱，根据所述拼接得到的基带频谱对所述输入信号进行恢复。
结合第二方面或第二方面的第一种至第三种任一可能的实施方式，在第二方面的第四种可能的实施方式中，所述预处理单元还用于对前期接收的输入信号进行检测，得到所述输入信号的频谱分布，并根据所述输入信号的频谱分布进行系统配置；
所述预处理单元具体用于配置以下所列中的一种或多种的组合：
配置调整系统的子带带宽fp；或，
动态调整系统的子带带宽fp；或，
调整采样器的采样频率fs；或，
调整滤波器的通带带宽；或
配置通道数量m。
结合第二方面，在第二方面的第五种可能的实施方式中，所述基于压缩感知的信号处理装置为基站或终端。
第三方面，本发明还提供了一种基于压缩感知的信号处理装置，所述装置包括：处理器、收发器和存储器；
所述收发器，用于与其他装置进行交互，接收输入信号；
所述存储器，用于存储程序；
所述处理器，调用所述存储器存储的所述程序，用于执行：
根据输入信号的频谱分布，确定对所述输入信号进行混频后的基带频谱中的各信号成分的分布；
根据所述各信号成分的分布形成的信号混叠模式的不同，将所述基带频谱进行分段，形成多个频率段，每一个所述频率段对应一种信号混叠模式；
根据所述频率段内的信号混叠模式，确定所述输入信号的最低采样频率，并以大于所述最低采样频率的采样频率对所述输入信号进行采样得到采样信号；
根据所述采样信号分别在所述多个频率段的各个频率段中恢复对应的信号成分，并将在所述各个频率段恢复的信号成分进行拼接，完成对所述输入信号的恢复。
结合第三方面，在第三方面的第一种可能的实施方式中，所述处理器用于根据所述频率段内的信号混叠模式，确定所述输入信号的最低采样频率，具体包括：
所述处理器用于：
从各个所述频率段中确定出混叠的信号数量最多的频率段，并将所述混叠的信号数量最多的频率段所需要的最低采样频率作为所述输入信号的最低采样频率。
结合第三方面或第三方面的第一种可能的实施方式，在第三方面的第二种可能的实施方式中，所述处理器用于以大于所述最低采样频率的采样频率对所述输入信号进行采样得到采样信号，具体包括：
所述处理器用于：
以采样频率fs对所述输入信号进行采样得到采样信号，其中，fs_min为最低采样频率，Q为所述频率段中混叠的信号数量的最大值，fp为子带带宽，m为系统的通道数量。
结合第三方面，在第三方面的第三种可能的实施方式中，所述处理器在形成多个频率段之后，还用于：
根据所述多个频率段的各个频率段的信号混叠模式，确定压缩感知采样的观测矩阵A在所述多个频率段的各个频率段对应的子矩阵ASi，其中，i＝1，...，K；
所述处理器用于根据所述采样信号分别在所述多个频率段的各个频率段中恢复对应的信号成分，并将在所述各个频率段恢复的信号成分进行拼接，完成整个所述输入信号的恢复，具体包括：
所述处理器用于：
根据信号恢复算法公式分别恢复第i(i＝1，...，K)个频率段的基带频谱，其中，为第i个频率段的子矩阵ASi的摩尔潘若思逆矩阵，ZSi(f)为第i个频率段恢复的基带频谱，y(f)为采样信号的离散傅里叶变换，K为所述基带频谱上形成的频率段的总数量；
将恢复的各个频率段的基带频谱进行拼接得到所述输入信号的整个基带频谱，根据所述拼接得到的基带频谱对所述输入信号进行恢复。
结合第三方面或第三方面的第一种至第三种任一可能的实施方式，在第三方面的第四种可能的实施方式中，所述处理器在所述根据输入信号的频谱分布，确定对所述输入信号进行混频后的基带频谱中的各信号成分的分布之前，还用于：
对前期接收的输入信号进行检测，得到所述输入信号的频谱分布，并根据所述输入信号的频谱分布进行系统配置；
所述根据所述输入信号的频谱分布进行系统配置，具体包括以下所列中的一种或多种的组合：
配置调整系统的子带带宽fp；或，
动态调整系统的子带带宽fp；或，
调整采样器的采样频率fs；或，
调整滤波器的通带带宽；或
配置通道数量m。
结合第三方面，在第三方面的第五种可能的实施方式中，所述基于压缩感知的信号处理装置为基站或终端。
本发明提供的基于压缩感知的信号处理方法及装置，通过对信号混频后的基带频谱进行分析，根据混叠信号模式的不同将基带频谱分成多个频率段，分别采用不同的子矩阵进行信号恢复后再拼接，可以处理各种不同的频域稀疏信号，以更低的采样频率对信号进行采样，能节省硬件通道的需求数量，在较低采样率的情况下实现信号的恢复，能以更低的采样速率处理更多的窄带信号。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例基于的一种调制宽带转换器系统的结构示意图；
图2为本发明实施例一提供的基于压缩感知的信号处理方法流程图；
图3a为输入三个通信信号时的频谱；
图3b为图3a的输入信号混频后的基带频谱；
图4为本发明实施例二提供的基于压缩感知的信号处理装置示意图；
图5为本发明实施例三提供的基于压缩感知的信号处理装置的组成结构示意图。
具体实施方式
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供的基于压缩感知的信号处理方法及装置，可以应用于基于压缩感知的通信系统中，尤其针对基于压缩感知的接收机，用于处理各种不同的频域稀疏信号，例如，在长期演进(Long Term Evolution，LTE)系统中可以采用多个频段传输同一用户的数据信息，形成的较宽频带的通信信号；多个运营商传输的不同频段的通信信号，等等。本发明特别适合对于硬件通道数小于信号所占子带个数的场景，通常硬件通道数越少，本发明能够带来的益处越大。
图1是本发明实施例基于的一种调制宽带转换器系统的结构示意图，该系统通常设置于接收机中，具体包括m(1......m)个通道的压缩采集装置，每一个通道包括混频器1、低通滤波器2和ADC采样器3，输入的信号x(t)经过混频器1采用随机周期序列混频后(其中，包括p1(t)，......，pm(t))，分别经过低通滤波器2(h1(t)，......，hm(t))，再由ADC采样器3进行采样，得到混叠的采样信号y1[n]，...，ym[n]，然后通过信号重构算法进行信号恢复，将混叠的采样信号恢复成传统ADC采样装置采样的信号，实现输入信号的完全复原。
在本发明实施例中以单通道(m＝1)的基于压缩感知的通信系统为例进行说明，对于多通道的情形可依此进行类似的扩展，本发明中不进行一一列举。
实施例一
如图2所示，本发明实施例一提供的基于压缩感知的信号处理方法包括：
S101、接收机根据输入信号的频谱分布，确定对所述输入信号进行混频后的基带频谱中的各信号成分的分布。
输入信号为射频信号，由于不同运营商对应的发射频带通常为已知信号，本发明实施例是将这些已知的射频信号作为输入信号进行处理，也就是说，输入信号所占频带通常是已知的，因而，可以根据已知信号的频谱分布，预先估算出该信号如果经过混频后在基带频谱中所形成的多个信号成分的分布情况。输入信号中可以包括多个不连续的窄带信号，如图3a所示，包括以原点对称的3个通信信号，信号1、信号2、信号3的中心频率分别为±880MHz，±1832.5MHz和±2.65GHz，带宽分别为10MHz，15MHz和60MHz。由于系统可支持高达2.98G的信号(以原点为中心对称的信号)，整个5.95G带宽可分为97个子带，因而，每个子带宽带(即fp)为61.35MHz＝5.95G/97。图3a中的3个通信信号共占据了8个子带，包括信号1的子带(约830MHz～890MHz，约-890MHz～-830MHz)，信号2的子带(约1.81GHz～1.87GHz，-1.87GHz～-1.81GHz)，信号3的子带(2.61GHz～2.67GHz，2.67GHz～2.73GHz，-2.67GHz～-2.61GHz，-2.73GHz～-2.67GHz)。其中，中心频率为±2.65GHz的信号3两边对称分别跨越了2个子带，子带边界约在±2.67GHz处。
由于输入信号的频谱已知，可以先计算得到对该输入信号进行混频后的基带频谱中的各信号成分的分布。
混频是根据周期序列的特性，在每个子带中心都会有一个谐波，即混频信号由子带带宽fp倍数的多个单音构成。混频后，每个窄带信号都会被它所在的子带的谐波搬移到基带(如果是跨越多个子带的信号，把每个子带的部分看成一个不同的信号)，搬移后的信号在基带将混叠起来。根据各个窄带信号的频谱以及其所在的子带的中心频点的频率，可以计算得到该信号在基带的频率分布。
如图3b所示，是图3a的3个信号经过混频搬移后的基带频谱。信号1经过混频后在基带频谱上是图中标示(1)的实线和灰实线的信号，其中，实线是正信号混频后的信号，灰实线是负信号混频后的信号。信号2经过混频后在基带频谱上是图中标示(2)的实线带圈和灰实线带圈的信号，其中，实线带圈是正信号混频后的信号，灰实线带圈是负信号混频后的信号。信号3跨越了2个子带，经过混频后在基带频谱上是图中标示(3)虚线、灰虚线、锯齿线和灰锯齿线，其中，虚线和锯齿线是正信号混频后的信号，灰虚线和灰锯齿线是负信号混频后的信号。
可选的，如果对于输入信号的频谱分布不明确、不清楚，或者对于输入信号是动态分布的情形，本发明实施例还可以根据前期接收的输入信号来确定所述输入信号的频谱分布，进而再根据确定的所述输入信号的频谱分布，确定所述输入信号进行混频搬移后的基带频谱中的各信号成分的分布。具体地，包括：对前期接收的输入信号进行检测，得到所述输入信号的频谱分布。在确定所述输入信号的频谱分布后，还可以根据所述输入信号的频谱分布对系统进行配置，，例如，根据所述输入信号的频谱分布配置或动态调整系统的子带带宽fp、采样器的采样频率和/或滤波器的通带带宽。
S102、接收机根据所述各信号成分的分布形成的信号混叠模式的不同，将所述基带频谱进行分段，形成多个频率段，每一个频率段对应一种信号混叠模式。
参见图3b，可以看出，在该基带频谱的不同的频率段有不同的信号混叠，按照不同的信号混叠模式可以将该基带频谱分成多个频率段，图中每一个线包括8种不同的信号混叠模式，可分为8个频率段。第1个频率段中有2个信号混叠(虚线和灰虚线)，第2个频率段中有3个信号混叠(虚线、灰虚线和灰实线)，第3个频率段中有2个信号混叠(灰虚线和灰实线)，第4个频率段中有3个信号混叠(灰虚线、实线带圈和锯齿线)，第5个频率段中有3个信号混叠(灰虚线、灰实线带圈和锯齿线)，第6个频率段中有2个信号混叠(实线和锯齿线)，第7个频率段中有3个信号混叠(实线、锯齿线和灰锯齿线)，第8个频率段中有2个信号混叠(锯齿线和灰锯齿线)。可以看出，在一个频率段中最多只有3个信号混叠。
S103、接收机根据所述频率段内的信号混叠模式，确定所述输入信号的最低采样频率，并以大于所述最低采样频率的采样频率对所述输入信号进行采样得到采样信号。
所述根据所述频率段内的信号混叠模式，确定所述输入信号的最低采样频率，具体包括：
从各个所述频率段中确定出混叠的信号数量最多的频率段，并将所述混叠的信号数量最多的频率段所需要的最低采样频率作为所述输入信号的最低采样频率。
如果基带频谱的每个频率段最多有Q≤N个信号混叠，则ADC的采样频率需满足fs≥Qfp。而采用现有的MWC系统，ADC的采样频率则为Nfp。通常情况下Q＜N，由此可以看出，本发明中ADC的采样频率是低于现有技术中MWC系统的采样频率的。上述Q为基带频谱的频率段中混叠的信号数量的最大值，fs为采样频率，fp为子带带宽。如图3b中所示，可以看出，一个频率段内最多有3个子带的信号混叠，即第2、4、5、7频率段，因而，确定的最低采样频率为3fp＝184.05MHz，即在本发明中ADC的采样频率只需要3fp＝184.05MHz即可。按照现有的MWC系统，ADC的采样频率应至少为8fp＝490.8MHz。而如果按照传统的Nyquist(即非基于压缩感知的采样方法)，要对3个信号采用单通道的ADC采样，最低采样频率为2*(2.680GHz-875MHz)＝2*1.805GHz＝3.61GHz、。即使将3个信号通过3个通道(3套混频器)分别解调到基频后通过3个ADC分别采样，3个ADC的总采样频率也需达到(10MHz+15MHz+60MHz)*2＝85M*2＝170MHz。因此，本发明可以采用单通道的硬件设备(m＝1的压缩采样装置)以接近最低采样率对输入的信号进行采样。
对于m个通道的系统而言，所述以大于所述最低采样频率的采样频率对所述输入信号进行采样得到采样信号，具体为：
以采样频率fs对所述输入信号进行采样得到采样信号，其中，fs_min为最低采样频率，Q为所述频率段中混叠的信号数量的最大值，fp为子带带宽，m为系统的通道数量。
S104、接收机根据所述采样信号分别在所述多个频率段的各个频率段中恢复对应的信号成分，并将在所述各个频率段恢复的信号成分进行拼接，完成对所述输入信号的恢复。
在所述基带频谱上形成多个频率段之后，还包括：根据所述多个频率段的各个频率段的信号混叠模式，确定压缩感知采样的观测矩阵A在所述多个频率段的各个频率段对应的子矩阵ASi，其中，i＝1，...，K。
如果所述基带频谱上形成了K个频率段，对于在第i(i＝1，...，K)个频率段的信号f∈[fi1，fi2)所在的子带集合为Si，第i(i＝1，...，K)个频率段对应的观测矩阵的子矩阵为ASi，相应信号在第i个频率段的基带频谱可以恢复为
所述根据所述采样信号分别在所述多个频率段的各个所述频率段中恢复对应的信号成分，并将在所述各个频率段恢复的信号成分进行拼接，完成整个所述输入信号的恢复，具体包括：
S1041、根据信号恢复算法公式分别恢复第i(i＝1，...，K)个频率段的基带频谱。
其中，为第i个频率段的子矩阵ASi的摩尔潘若思逆矩阵，ZSi(f)为第i个频率段恢复的基带频谱，y(f)为采样信号的离散傅里叶变换，K为所述基带频谱上形成的频率段的总数量。
S1042、将恢复的各个频率段的基带频谱进行拼接得到所述输入信号的整个基带频谱，根据所述拼接得到的基带频谱对所述输入信号进行恢复。
采用求和的方式将S1041计算得到的K个频率段的基带频谱拼接成整个基带频谱，根据所述拼接得到的基带频谱对所述输入信号进行恢复，从而得到正确的恢复信号。
对于正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)等通过频率点携带数据信息的调制方式，数据信息可以直接从基带频谱中恢复出来而不需要再恢复时域信号。对于其它调制方式，可以通过离散傅里叶变换(Discrete FourierTransformation，DFT)把基带频域信号转换为时域采样信号。
这样，本发明实施例提供的基于压缩感知的信号处理方法，通过对信号混频后的基带频谱进行分析，根据混叠信号模式的不同将基带频谱分成多个频率段，分别采用不同的子矩阵进行信号恢复后再拼接，可以处理各种不同的频域稀疏信号，以更低的采样频率对信号进行采样，能节省硬件通道的需求数量，在较低采样率的情况下实现信号的恢复，能以更低的采样速率处理更多的窄带信号。
实施例二
图4是本发明实施例提供的基于压缩感知的信号处理装置示意图，如图4所示，本发明的基于压缩感知的信号处理装置包括：预处理单元401、采样单元402和重构单元403。
预处理单元401用于根据输入信号的频谱分布，确定对所述输入信号进行混频后的基带频谱中的各信号成分的分布；并根据所述各信号成分的分布形成的信号混叠模式的不同，将所述基带频谱进行分段，在所述基带频谱上形成多个频率段，每一个所述频率段对应一种信号混叠模式；以及，根据所述频率段内的信号混叠模式，确定所述输入信号的最低采样频率。
输入信号为射频信号，由于不同运营商对应的发射频带通常为已知信号，本发明实施例是将这些已知的射频信号作为输入信号进行处理，也就是说，输入信号所占频带通常是已知的，因而，预处理单元401可以根据已知信号的频谱分布，预先估算出该信号如果经过混频后在基带频谱中所形成的多个信号成分的分布情况。输入信号中可以包括多个不连续的窄带信号，如图3a所示，包括以原点对称的3个通信信号。由于输入信号的频谱已知，预处理单元401可以先计算得到对该输入信号进行混频后的基带频谱中的各信号成分的分布，如图3b所示，可以看出，在该基带频谱的不同的频率段有不同的信号混叠，按照不同的信号混叠模式可以将该基带频谱分成多个频率段，图中每一个线包括8种不同的信号混叠模式，可分为8个频率段。
预处理单元401从各个所述频率段中确定出混叠的信号数量最多的频率段，并将所述混叠的信号数量最多的频率段所需要的最低采样频率作为所述输入信号的最低采样频率。
如果基带频谱的每个频率段最多有Q≤N个信号混叠，则ADC的采样频率需满足fs≥Qfp。而采用现有的MWC系统，ADC的采样频率则为Nfp。通常情况下Q＜N，由此可以看出，本发明中ADC的采样频率是低于现有技术中MWC系统的采样频率的。上述Q为基带频谱的频率段中混叠的信号数量的最大值，fs为采样频率，fp为子带带宽。如图3b中所示，可以看出，一个频率段内最多有3个子带的信号混叠，即第2、4、5、7频率段，因而，预处理单元401确定的最低采样频率为3fp＝184.05MHz，即在本发明中ADC的采样频率只需要3fp＝184.05MHz即可。
可选的，如果对于输入信号的频谱分布不明确、不清楚，或者对于输入信号是动态分布的情形，预处理单元401还可以根据前期接收的输入信号来确定所述输入信号的频谱分布，进而再根据确定的所述输入信号的频谱分布，确定所述输入信号进行混频搬移后的基带频谱中的各信号成分的分布。
具体地，预处理单元401对前期接收的输入信号进行检测，得到所述输入信号的频谱分布，并根据所述输入信号的频谱分布进行系统配置，具体用于配置以下所列中的一种或多种的组合：配置调整系统的子带带宽fp；或，动态调整系统的子带带宽fp；或，调整采样器的采样频率fs；或，调整滤波器的通带带宽；或，配置通道数量m。
采样单元402用于以大于预处理单元401确定的所述最低采样频率的采样频率对所述输入信号进行采样得到采样信号。
采样单元402具体用于以采样频率fs对所述输入信号进行采样得到采样信号，其中，fs_min为最低采样频率，Q为所述频率段中混叠的信号数量的最大值，fp为子带带宽，m为系统的通道数量。
重构单元403用于根据采样单元402得到的所述采样信号分别在预处理单元401形成的所述多个频率段的各个频率段中恢复对应的信号成分，并将在所述各个频率段恢复的信号成分进行拼接，完成对所述输入信号的恢复。
可选的，预处理单元401在所述基带频谱上形成多个频率段之后，还用于根据所述多个频率段的各个频率段的信号混叠模式，确定压缩感知采样的观测矩阵A在所述各个频率段对应的子矩阵ASi，其中，i＝1，...，K。
如果所述基带频谱上形成了K个频率段，对于在第i(i＝1，...，K)个频率段的信号f∈[fi1，fi2)所在的子带集合为Si，第i(i＝1，...，K)个频率段对应的观测矩阵的子矩阵为ASi，相应信号在第i个频率段的基带频谱可以恢复为
重构单元403具体用于根据信号恢复算法公式分别恢复第i(i＝1，...，K)个频率段的基带频谱，其中，为第i个频率段的子矩阵ASi的转置矩阵，ZSi(f)为第i个频率段恢复的基带频谱，y(f)为待恢复的信号，K为所述基带频谱上形成的频率段的总数量。重构单元403还具体用于将恢复的各个频率段的基带频谱进行拼接得到所述输入信号的整个基带频谱，根据所述拼接得到的基带频谱对所述输入信号进行恢复。重构单元403采用求和的方式将计算得到的K个频率段的基带频谱拼接成整个基带频谱，根据所述拼接得到的基带频谱对所述输入信号进行恢复，从而得到正确的恢复信号。
对于正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)等通过频率点携带数据信息的调制方式，数据信息可以直接从基带频谱中恢复出来而不需要再恢复时域信号。对于其它调制方式，可以通过离散傅里叶变换(Discrete FourierTransformation，DFT)把基带频域信号转换为时域采样信号。
实施例三
图5是本实施例提供的基于压缩感知的信号处理装置的组成结构示意图，如图5所示，本发明的基于压缩感知的信号处理装置包括：处理器501、收发器502和存储器503。
处理器501可能为单核或多核中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，或者为特定集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)，或者为被配置成实施本发明实施例的一个或多个集成电路。
收发器502用于与其他装置进行交互，接收输入信号。
存储器503用于存储程序。
处理器501调用存储器503存储的所述程序，用于执行：
根据输入信号的频谱分布，确定对所述输入信号进行混频后的基带频谱中的各信号成分的分布；
根据所述各信号成分的分布形成的信号混叠模式的不同，将所述基带频谱进行分段，形成多个频率段，每一个所述频率段对应一种信号混叠模式；
根据所述频率段内的信号混叠模式，确定所述输入信号的最低采样频率，并以大于所述最低采样频率的采样频率对所述输入信号进行采样得到采样信号；
根据所述采样信号分别在所述多个频率段的各个频率段中恢复对应的信号成分，并将在所述各个频率段恢复的信号成分进行拼接，完成对所述输入信号的恢复。
进一步的，处理器501用于根据所述频率段内的信号混叠模式，确定所述输入信号的最低采样频率，具体包括：
处理器501用于：
从各个所述频率段中确定出混叠的信号数量最多的频率段，并将所述混叠的信号数量最多的频率段所需要的最低采样频率作为所述输入信号的最低采样频率。
进一步的，处理器501用于以大于所述最低采样频率的采样频率对所述输入信号进行采样得到采样信号，具体包括：
处理器501用于：
以采样频率fs对所述输入信号进行采样得到采样信号，其中，fs_min为最低采样频率，Q为所述频率段中混叠的信号数量的最大值，fp为子带带宽，m为系统的通道数量。
进一步的，处理器501在形成多个频率段之后，还用于：
根据所述多个频率段的各个频率段的信号混叠模式，确定压缩感知采样的观测矩阵A在所述多个频率段的各个频率段对应的子矩阵ASi，其中，i＝1，...，K；
处理器501用于根据所述采样信号分别在所述多个频率段的各个频率段中恢复对应的信号成分，并将在所述各个频率段恢复的信号成分进行拼接，完成整个所述输入信号的恢复，具体包括：
处理器501用于：
根据信号恢复算法公式分别恢复第i(i＝1，...，K)个频率段的基带频谱，其中，为第i个频率段的子矩阵ASi的摩尔潘若思逆矩阵，ZSi(f)为第i个频率段恢复的基带频谱，y(f)为采样信号的离散傅里叶变换，K为所述基带频谱上形成的频率段的总数量；
将恢复的各个频率段的基带频谱进行拼接得到所述输入信号的整个基带频谱，根据所述拼接得到的基带频谱对所述输入信号进行恢复。
进一步的，处理器501在所述根据输入信号的频谱分布，确定对所述输入信号进行混频后的基带频谱中的各信号成分的分布之前，还用于：
对前期接收的输入信号进行检测，得到所述输入信号的频谱分布，并根据所述输入信号的频谱分布进行系统配置。
具体地，基于压缩感知的信号处理装置还根据所述指令执行实施例一中的信号处理方法，具体在此不再赘述。
本发明实施例提供的基于压缩感知的信号处理装置可以设置于各种通信设备中，例如基站或终端，在本发明中不加以限制。
本发明提供的基于压缩感知的信号处理方法及装置，通过对信号混频后的基带频谱进行分析，根据混叠信号模式的不同将基带频谱分成多个频率段，分别采用不同的子矩阵进行信号恢复后再拼接，可以处理各种不同的频域稀疏信号，以更低的采样频率对信号进行采样，能节省硬件通道的需求数量，在较低采样率的情况下实现信号的恢复，能以更低的采样速率处理更多的窄带信号。
专业人员应该还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (11)
1.一种基于压缩感知的信号处理方法，其特征在于，所述方法包括：
根据输入信号的频谱分布，确定对所述输入信号进行混频后的基带频谱中的各信号成分的分布；
根据所述各信号成分的分布形成的信号混叠模式的不同，将所述基带频谱进行分段，形成多个频率段，每一个所述频率段对应一种信号混叠模式；
根据所述频率段内的信号混叠模式，确定所述输入信号的最低采样频率，并以大于或等于所述最低采样频率的采样频率对所述输入信号进行采样得到采样信号,所述根据所述频率段内的信号混叠模式，确定所述输入信号的最低采样频率，具体包括：从各个所述频率段中确定出混叠的信号数量最多的频率段，并将所述混叠的信号数量最多的频率段所需要的最低采样频率作为所述输入信号的最低采样频率；
根据所述采样信号分别在所述多个频率段的各个频率段中恢复对应的信号成分，并将在所述各个频率段恢复的信号成分进行拼接，完成对所述输入信号的恢复；
在所述形成多个频率段之后，所述方法还包括：根据所述多个频率段的各个频率段的信号混叠模式，确定压缩感知采样的观测矩阵A在所述多个频率段的各个频率段对应的子矩阵ASi，其中，i＝1，…，K；根据所述采样信号分别在所述多个频率段的各个频率段中恢复对应的信号成分，并将在所述各个频率段恢复的信号成分进行拼接，完成整个所述输入信号的恢复，具体包括：根据信号恢复算法公式分别恢复第i(i＝1，…，K)个频率段的基带频谱，其中，为第i个频率段的子矩阵ASi的摩尔潘若思逆矩阵，ZSi(f)为第i个频率段恢复的基带频谱，y(f)为采样信号的离散傅里叶变换，K为所述基带频谱上形成的频率段的总数量；将恢复的各个频率段的基带频谱进行拼接得到所述输入信号的整个基带频谱，根据所述拼接得到的基带频谱对所述输入信号进行恢复。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述以大于或等于所述最低采样频率的采样频率对所述输入信号进行采样得到采样信号，具体为：
以采样频率fs对所述输入信号进行采样得到采样信号，其中，fs_min为最低采样频率，Q为所述频率段中混叠的信号数量的最大值，fp为子带带宽，m为基于压缩感知的通信系统的通道数量。
3.根据权利要求1-2任一项所述的信号处理方法，其特征在于，在所述根据输入信号的频谱分布，确定对所述输入信号进行混频后的基带频谱中的各信号成分的分布之前，还包括：
对前期接收的输入信号进行检测，得到所述输入信号的频谱分布，并根据所述输入信号的频谱分布进行基于压缩感知的通信系统配置；
所述根据所述输入信号的频谱分布进行基于压缩感知的通信系统配置，具体包括以下所列中的一种或多种的组合：
配置调整系统的子带带宽fp；或，
动态调整系统的子带带宽fp；或，
调整采样器的采样频率fs；或，
调整滤波器的通带带宽；或
配置通道数量m。
4.一种基于压缩感知的信号处理装置，其特征在于，所述装置包括：
预处理单元，用于根据输入信号的频谱分布，确定对所述输入信号进行混频后的基带频谱中的各信号成分的分布；并根据所述各信号成分的分布形成的信号混叠模式的不同，将所述基带频谱进行分段，在所述基带频谱上形成多个频率段，每一个所述频率段对应一种信号混叠模式；以及，根据所述频率段内的信号混叠模式，确定所述输入信号的最低采样频率,所述预处理单元具体用于从各个所述频率段中确定出混叠的信号数量最多的频率段，并将所述混叠的信号数量最多的频率段所需要的最低采样频率作为所述输入信号的最低采样频率；
采样单元，用于以大于或等于所述预处理单元确定的所述最低采样频率的采样频率对所述输入信号进行采样得到采样信号；
重构单元，用于根据所述采样单元得到的所述采样信号分别在所述预处理单元形成的所述多个频率段的各个频率段中恢复对应的信号成分，并将在所述各个频率段恢复的信号成分进行拼接，完成对所述输入信号的恢复；
所述预处理单元在所述基带频谱上形成多个频率段之后，还用于根据所述多个频率段的各个频率段的信号混叠模式，确定压缩感知采样的观测矩阵A在所述各个频率段对应的子矩阵ASi，其中，i＝1，…，K；所述重构单元具体用于根据信号恢复算法公式分别恢复第i(i＝1，…，K)个频率段的基带频谱，其中，为第i个频率段的子矩阵ASi的转置矩阵，ZSi(f)为第i个频率段恢复的基带频谱，y(f)为待恢复的信号，K为所述基带频谱上形成的频率段的总数量；所述重构单元还具体用于将恢复的各个频率段的基带频谱进行拼接得到所述输入信号的整个基带频谱，根据所述拼接得到的基带频谱对所述输入信号进行恢复。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述采样单元具体用于以采样频率fs对所述输入信号进行采样得到采样信号，其中，fs_min为最低采样频率，Q为所述频率段中混叠的信号数量的最大值，fp为子带带宽，m为基于压缩感知的通信系统的通道数量。
6.根据权利要求4-5任一项所述的装置，其特征在于，所述预处理单元还用于对前期接收的输入信号进行检测，得到所述输入信号的频谱分布，并根据所述输入信号的频谱分布进行基于压缩感知的通信系统配置；
所述预处理单元具体用于配置以下所列中的一种或多种的组合：
配置调整系统的子带带宽fp；或，
动态调整系统的子带带宽fp；或，
调整采样器的采样频率fs；或，
调整滤波器的通带带宽；或，
配置通道数量m。
7.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述基于压缩感知的信号处理装置为基站或终端。
8.一种基于压缩感知的信号处理装置，其特征在于，所述装置包括：处理器、收发器和存储器；
所述收发器，用于与其他装置进行交互，接收输入信号；
所述存储器，用于存储程序；
所述处理器，调用所述存储器存储的所述程序，用于执行：
根据输入信号的频谱分布，确定对所述输入信号进行混频后的基带频谱中的各信号成分的分布；
根据所述各信号成分的分布形成的信号混叠模式的不同，将所述基带频谱进行分段，形成多个频率段，每一个所述频率段对应一种信号混叠模式；
根据所述频率段内的信号混叠模式，确定所述输入信号的最低采样频率，并以大于或等于所述最低采样频率的采样频率对所述输入信号进行采样得到采样信号,所述处理器用于根据所述频率段内的信号混叠模式，确定所述输入信号的最低采样频率，具体包括：从各个所述频率段中确定出混叠的信号数量最多的频率段，并将所述混叠的信号数量最多的频率段所需要的最低采样频率作为所述输入信号的最低采样频率；
根据所述采样信号分别在所述多个频率段的各个频率段中恢复对应的信号成分，并将在所述各个频率段恢复的信号成分进行拼接，完成对所述输入信号的恢复；
所述处理器在形成多个频率段之后，还用于：根据所述多个频率段的各个频率段的信号混叠模式，确定压缩感知采样的观测矩阵A在所述多个频率段的各个频率段对应的子矩阵ASi，其中，i＝1，…，K；所述处理器用于根据所述采样信号分别在所述多个频率段的各个频率段中恢复对应的信号成分，并将在所述各个频率段恢复的信号成分进行拼接，完成整个所述输入信号的恢复，具体包括：根据信号恢复算法公式分别恢复第i(i＝1，…，K)个频率段的基带频谱，其中，为第i个频率段的子矩阵ASi的摩尔潘若思逆矩阵，ZSi(f)为第i个频率段恢复的基带频谱，y(f)为采样信号的离散傅里叶变换，K为所述基带频谱上形成的频率段的总数量；将恢复的各个频率段的基带频谱进行拼接得到所述输入信号的整个基带频谱，根据所述拼接得到的基带频谱对所述输入信号进行恢复。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述处理器用于以大于或等于所述最低采样频率的采样频率对所述输入信号进行采样得到采样信号，具体包括：
所述处理器用于：
以采样频率fs对所述输入信号进行采样得到采样信号，其中，fs_min为最低采样频率，Q为所述频率段中混叠的信号数量的最大值，fp为子带带宽，m为基于压缩感知的通信系统的通道数量。
10.根据权利要求8-9任一项所述的装置，其特征在于，所述处理器在所述根据输入信号的频谱分布，确定对所述输入信号进行混频后的基带频谱中的各信号成分的分布之前，还用于：
对前期接收的输入信号进行检测，得到所述输入信号的频谱分布，并根据所述输入信号的频谱分布进行基于压缩感知的通信系统配置；
所述根据所述输入信号的频谱分布进行基于压缩感知的通信系统配置，具体包括以下所列中的一种或多种的组合：
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动态调整系统的子带带宽fp；或，
调整采样器的采样频率fs；或，
调整滤波器的通带带宽；或，
配置通道数量m。
11.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述基于压缩感知的信号处理装置为基站或终端。
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