CN106998306A - 用于分布式调制宽带转换器的测量矩阵动态校准方法 - Google Patents

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Abstract

本发明首次公开了用于分布式调制宽带转换器的测量矩阵动态校准方法,其思路为：1.节点自动地调节接收SNR和发射功率。2.节点预估计传输衰减，在恢复端校准节点之间的功率平衡。3.在DMWC体系下，通过注入正弦信号，校准测量矩阵元素。4.融合中心定期探测各节点，决定是否使用该节点传回的数据。5.融合中心定期对整个系统进行重新排列与校准。6.各个节点定期探测自己的环境参数，并向融合中心报告，融合中心选择对该节点进行重新排列与校准。本发明由于存在大量节点的优势，可以不进行通道扩展，最大限度地降低单通道的采样率。且动态校准方法有效抵消了外界带来的误差，更易于实现，大大提高了系统的恢复率、可靠性和安全性。

Description

用于分布式调制宽带转换器的测量矩阵动态校准方法
技术领域
本发明涉及在低采样率下的多带信号恢复系统的动态校准方法，属于硬件动态校准领域。
背景技术
分布式调制宽带转换器(DMWC)是在调制宽带转换器(MWC)的基础上，将一个传感器节点视为一个采样信道，将MWC技术与宽带协作频谱感知网络完美结合，利用感知节点的空间多样性来提高感知性能的欠采样系统。DMWC由于存在大量分布式传感节点的优势，可以不需要进行通道扩展（q=1）最大限度地降低了单虚拟通道的采样率。
在MWC理论中，信号支撑集恢复部分，由伪随机序列的傅里叶级数组成的测量矩阵必须与实际系统精确匹配，否则将严重降低信号支撑集恢复的精度。在MWC实际研制电路中，受到模拟器件的影响，比如混频器引进的非线性输出、低通滤波器的非理想频率响应、电路功放的不均衡，相位噪声和抖动等因素，理论计算的感知矩阵将不再能够精确地描述实际欠采样系统的传输函数。这时系统将理论得到的感知矩阵用于实际硬件系统的恢复，不再能得到正确的支撑集，即将导致多频带信号重构失败。
同理，在DMWC中，由于分布式地理位置引进的传输衰减因数，本身造成了测量矩阵任意两个列向量的非相关性的削弱，这种非相关性的削弱将直接导致不能准确恢复多频带信号的支撑集。其次，DMWC在恢复信号支撑集部分理论上应该向MWC靠近，所以也存在实际电路中器件的非理想响应的影响。再者，DMWC的分布式结构中不可避免会有某些节点失效或者受到外力干扰导致原系统的网络结构发生变化。这些因素将导致硬件系统真实的感知矩阵同理论方法计算出的感知矩阵有很大不同，以致重构失败。
发明内容
本发明为了实现分布式调制宽带转换器的测量矩阵动态校准，提出了一种用于分布式调制宽带转换器的测量矩阵动态校准方法。为满足DMWC系统的要求，首先将相等频率间隔的标准正弦信号送入系统；然后将得到的样本序列与其已知的支撑集作为已知条件，计算相应的系统传输函数；最后保存得到的传输函数，作为原恢复程序中的感知矩阵用于信号重构。与现有的MWC恢复方法相比较本发明满足DMWC系统条件的同时，不仅降低了多频带信号的采样率，实现多频带信号检测的目的，而且提高了实际系统的恢复率，使实际硬件系统更容易实现。
本发明是通过以下技术方案实现的：欠采样率下用于分布式调制宽带转换器的测量矩阵动态校准方法，其特征在于以下3个大步骤：1）分布式节点依据自己的距离大小，预估计所处地理位置的SNR水平，自动地调节自己的接收SNR和发射功率；2）融合中心预估计各个节点的传输衰减大小；3）将相等频率间隔的预估计的正弦信号送入系统，对欠采样下采集得到的样本序列与其已知的支撑集作为已知条件，计算相应的系统传输函数并保存，将该传输函数作为原恢复程序中的感知矩阵用于信号重构。4）融合中心定期主动探测各节点的工作情况，做出是否使用某节点传回的数据的决定。5）融合中心定期对整个系统进行重新排列与校准。6）各个节点定期探测自己的环境参数，如果发生变化则向融合中心报告，融合中心根据参数变化的大小，以及有多少参数发生了变化，选择对发出报告的单个节点或者多个节点进行重新排列与校准。
附图说明
图1是本发明基于分布式调制宽带转换器的测量矩阵校准方法的系统原理图。
图2是输入正弦信号时的频谱分量示意图。
图3是校准原理示意图。
图4是分布式调制宽带转换器网络结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明做进一步的详细说明：
1.融合中心自动地调节自己的接收SNR和接收功率
分布式调制宽带转换器网络结构如图4所示，分布式节点依据自己的距离大小，预估计所处地理位置的SNR水平，在与融合中心的第一次握手通信中，向融合中心传输自己的预估计SNR和发射功率。融合中心接收到此信息后，在第二次握手通信开始之前自动调节自己的接收SNR和接收功率，与节点的预估计值相匹配；
2.融合中心预估计各个节点的传输衰减
依据自由空间传输模型，已知传感节点到融合中心的距离，预估计各个节点的传输衰减大小，保存此数据，并在恢复端软件校准节点之间的功率平衡；
3. 用于分布式调制宽带转换器的测量矩阵校准方法的数学原理
对于简单系统，可以通过测量系统的脉冲响应来获取系统的传递函数。但是DMWC系统是非线性、非时不变的，即不可能通过简单的测量系统的脉冲响应而得到系统的传递函数。这里提出的测量矩阵校准方法，以一簇正弦信号作为输入信号，以获得系统在不同分割频带内的响应。从而计算出系统的感知矩阵A，
若DMWC的参数满足定理：
（1）
（2）混频序列一个周期内的值得个数
（3）传感器节点数
（4）感知矩阵A的任意2N列线性无关
通过MWC相应定理可知，当时，的非零元素不超过N个。若输入信号为正弦信号，即N=2（包括负频率），则中可以只存在两个正负对称的非零元素，非零元素在的正半部分位置为l，且已知，如图2所示
假如DMWC系统有m个感知节点，并且满足以上定理，以实际DMWC系统的第i个节点为例，对系统输入以下正弦信号
（1）
即在位置为l处存在一个非零分量。对于和为信号幅度和相位，但初始频率必须满足。对公式（1）进行DTFT变换可得
（2）
其中，当时，可得下式：
（3）
那么经ADC采样后的输出序列可以表示为：
（4）
变换到时域后可如下式所示
（5）
实际中，输出信号是包含噪声的正弦信号，所以需要正弦估计算法来获得精确的。将输出信号用下式表示：
（6）
其中：为信号幅值，为信号的相位，为信号的角频率。则由式（4）可知
（7）
用矩阵优化方法解出b、d的值：
由于相位对y的关系是非线性的，我们将式（6）转变成
（8）
式中：，
所以对于相位和幅值的求解就可以替换为对参数b、d的求解。分别在时低速采集输出信号，其中r表示采样点数，获取序列后，就可基于式（8），采取相应算法算出b、d
但是实际DMWC中输出信号不可避免的具有噪声，所以实际采集的输出信号可由下式表示
（9）
其中即为噪声。则此时首先需解决的问题就是如何从输出信号中拟合出有效信号。本文利用最小二乘拟合法来实现上述问题的求取，下式为误差目标函数：
（10）
该算法的目的就是求取出当b，d为何值时，上式设定的误差达到最小值。易知，当式（10）中的b，d的一阶偏导方程为零时，该误差存在极值，即：
（11）
（12）
解上面两个式子可以得到b，d的值为：
（13）
式中，，，，，；
显然，只有矩阵可逆时，才能求得参数。一般来说，当采样点数足够多时，该矩阵就能够保证具有可逆性
求取出b、d后，即可求出幅值与相位，带入式（7）即可求出。由于周期序列为实数，所以其相应的傅里叶变换系数满足。校准原理如图3所示，对上述过程进行次循环后，就能够获得完整的感知矩阵；
4.融合中心定期主动探测各节点的工作情况，做出是否使用某节点传回的数据的决定
融合中心定期主动探测各节点的工作情况：节点是否在规定区域、是否电量充足、是否被攻击或截获等。根据以上数据得出各节点的工作情况，如果正常工作且节点得到的数据的可信度大，则使用该节点传回的数据；如果节点不能正常工作或者节点得到的数据可信度不大，则丢弃该节点传回的数据；
5.融合中心定期对整个系统进行重新排列与校准
融合中心定期启动1和2所描述的预估计机制，对整个系统重新执行3所描述的校准机制；
6.各节点主动向融合中心报告自己的环境参数
各个节点定期探测自己的环境参数：电量、所处位置的温湿度、距离融合中心的距离等，如果发生变化则向融合中心报告，融合中心根据参数变化的大小，以及有多少参数发生了变化，选择对发出报告的单个节点或者多个节点启动1和2所描述的预估计机制，对这些节点重新执行3所描述的校准机制。

Claims (5)

1.用于分布式调制宽带转换器的测量矩阵动态校准方法，其特征是，包括以下步骤：
步骤1、融合中心根据节点信息自动地调节自己的接收SNR和接收功率；
步骤2、融合中心预估计各个节点的传输衰减；
步骤3、根据DMWC原理，用正弦信号对测量矩阵进行校准；
步骤4、融合中心定期主动探测各节点的工作情况，做出是否使用某节点传回的数据的决定；
步骤5、融合中心定期对整个系统进行重新排列与校准；
步骤6、各个节点定期探测自己的环境参数，如果发生变化则向融合中心报告，融合中心根据参数变化的大小，以及有多少参数发生了变化，选择对发出报告的单个节点或者多个节点进行重新排列与校准。
2.根据权利要求1所述的用于分布式调制宽带转换器的测量矩阵动态校准方法，其特征在于将步骤1和步骤2中的预估计数据用于步骤3的测量矩阵校准算法中。
3.根据权利要求1所述的用于分布式调制宽带转换器的测量矩阵动态校准方法，其特征在于步骤3中采用输入一系列正弦信号，以获得系统在不同频带内的响应，从而计算出实际系统的测量矩阵
以实际DMWC系统的第i个节点为例，对系统输入以下正弦信号
（1）
即在位置为l处存在一个非零分量
对于和为信号幅度和相位，但初始频率必须满足
对公式（1）进行DTFT变换可得
（2）
其中，当时，可得下式：
（3）
那么经ADC采样后的输出序列可以表示为：
（4）
变换到时域后可如下式所示
（5）
实际中，输出信号是包含噪声的正弦信号，所以需要正弦估计算法来获得精确的
将输出信号用下式表示：
（6）
其中：为信号幅值，为信号的相位，为信号的角频率
则由式（4）可知
（7）
由于周期序列为实数，所以其相应的傅里叶变换系数满足
对上述过程进行次循环后，就能够获得完整的感知矩阵。
4.根据权利要求1所述的用于分布式调制宽带转换器的测量矩阵动态校准方法，其特征在于步骤4和步骤6中由融合中心探测节点，再由节点向融合中心报告的双向通信的动态机制。
5.根据权利要求1所述的用于分布式调制宽带转换器的测量矩阵动态校准方法，其特征在于步骤5中定期重新校准机制。
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