CN107395208A - 基于多通道非均匀时延的压缩采样结构 - Google Patents

基于多通道非均匀时延的压缩采样结构 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于多通道非均匀时延的压缩采样结构，由n条不同长度的导线以及每条导线上连接的低速的模数转换器ADC组成；一条导线为一条时延通道，通过设置时延通道的长度来控制通过该通道的信号的时延，各ADC对经过了对应通道的信号进行采样，每个ADC的采样速率相等。本发明利用各通道时延来构造随机下采样矩阵。在实际的硬件设计中，通过在印刷电路板上设置导线长度，可以精确的控制各通道的时延。由于总的采样速率等于通道数乘以单通道ADC的采样速率，因此只要控制通道数以及单通道ADC的采样速率即可实现理想的压缩比，从而实现对超宽带信号的接收。

Description

基于多通道非均匀时延的压缩采样结构
技术领域
本发明涉及通信技术，特别涉及超宽带频谱监测(ultra-wideband spectrummonitoring) 技术。
背景技术
近年来各种无线通信业务的迅猛发展，电磁频谱资源显得愈加紧张，频谱资源的有效监测与管理对于军事及民用均有重大意义。一方面，频谱资源是无线通信系统中宝贵且不可再生的资源，如何提升频谱利用效率一直是学术界和工业界关注的焦点问题。超宽带频谱监测面临的主要技术瓶颈在于当前的模数转化器件远远无法满足超宽带频谱监测所需的奈奎斯特采样速率。由于微电子制作工艺水平的限制，模数转化器件的高采样率和高分辨率很难同时满足。Y.Eldar在2011年首次研制出了基于次奈奎斯特采样的宽带调制接收机MWC，用4通道70MHz采样实现了1GHz带宽信号的接收，其采样机制将信号分成多路，每一路信号经过伪随机码调制、低通滤波后再下采样；另外一种压缩采样机制为非均匀随机采样机制，即按照奈奎斯特采样速率对信号进行非均匀采样。以上两种压缩采样机制都需要高精度的时序电路用于产生奈奎斯特速率的伪随机码序列并控制相关模拟操作，实现起来比较复杂。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种利用各通道时延来构造随机下采样矩阵的，实现新的压缩采样机制的结构。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是，基于多通道非均匀时延的压缩采样结构，由n条不同长度的导线以及每条导线上连接的低速的模数转换器ADC组成；一条导线为一条时延通道，通过设置时延通道的长度来控制通过该通道的信号的时延，各ADC对经过了对应通道的信号进行采样，每个ADC的采样速率相等。
本发明利用各通道时延来构造随机下采样矩阵。在实际的硬件设计中，通过在印刷电路板上设置导线长度，可以精确的控制各通道的时延。由于总的采样速率等于通道数乘以单通道ADC的采样速率，因此只要控制通道数以及单通道ADC的采样速率即可实现理想的压缩比，从而实现对超宽带信号的接收。
本发明的有益效果是，只需通过简单的时延电路即可完成对信号的压缩采样，极大简化了压缩采样电路的设计复杂度并降低了硬件成本及功耗。
附图说明
图1为基于多通道非均匀时延的压缩采样结构；
图2为原始室内无线电信号频谱；
图3为利用稀疏重构算法恢复的信号频谱；
图4为信号源发射信号功率谱；
图5为利用稀疏重构算法恢复的信号功率谱。
具体实施方式
对于频带范围在1GHz内的通信信号，其相应的奈奎斯特采样速率为Fs，采样周期Ts＝1/Fs，原始的时域信号z(t)在奈奎斯特速率采样下得到的信号表示为z[n]＝z(nTs)，n＝0,1,...,N-1，其傅里叶变换可表示为：
x＝Fz
其中F代表离散傅里叶变换矩阵，FFH＝I，x表示离散傅里叶变换系数,对于超宽带信号而言，由于ADC采样速率的限制，不能直接得到x，通过挖掘x的稀疏特性，我们可以利用少量的测量样本对其进行恢复。
本发明提出的基于多通道非均匀时延的压缩采样结构如图1所示，该采样结构由一系列低采样率的ADC和不同长度的导线组成，不需要高速的伪随机码生成器，混合器和转换器。
信号z(t)平行的经过L个通道，每个通道有不同的时延τl，实际硬件设置中，通过在延时板上设置信号线长度，可以精确的控制各通道的时延，经各通道延迟的信号随后经过低速的模数转换器，从而实现非均匀压缩采样。
本发明分别从时域和频域两个角度来阐述如何将超宽带频谱监测建模成压缩感知问题。
第一种思路：从时域的角度分析，所有的ADC具有相同的采样速率，采样周期Tlow＝1/Flow，采样周期Tlow是奈奎斯特采样周期的整数倍△ADC，时延τl是奈奎斯特采样周期的整数倍△l，即Tlow＝△ADCTs,τl＝△lTs，并且△ADC>△l。因此采样信号的第i个元素表示为：
其中k2＝imod△ADC，表示具体时延对应于奈奎斯特采样周期的整数倍，表示向下取整，mod表示取余，采样矩阵S中的元素可以表示为
其中i表示第i行，j表示第j列。
因此问题可建模成
y＝Sz＝SFHx＝Ax
其中y表示采样后的信号，z表示原始的时域信号，x表示离散傅里叶变换系数
可以随机的从1到△ADC-1中选择，通过控制可以实现非均匀采样。
对于1GHz内的通信信号，奈奎斯特采样率Fs＝2Gsps，则Ts＝1/Fs＝0.5ns，假设ADC的采样速率为80Msps，且共有L＝8个通道，每通道具体时延分别为τ＝0.5ns,1ns, 2ns,3ns,5ns,6.6ns,8ns,9.5ns，则Tlow＝1/Flow＝12.5ns，△ADC＝Tlow/Ts＝25，△l＝τl/Ts＝1,2,4,6,10,13,16,19.进一步具体构造采样矩阵S：
以i＝1为例，k2＝imodΔADC＝1，Δ1表示第一路时延对应其奈奎斯特采样周期的整数倍，因此，矩阵S的第一行第一列的元素值为1，第一行其他列的元素均为0.同理可以得到矩阵中其它位置的值。
第二种思路：从频域的角度分析，原始信号z(t)平行的经过L个通道，各通道具有不同的时延τl，时延对于信号而言，相当于其经过一个滤波器，此滤波器对于信号频域的影响可以表现为幅度的衰减以及相位的偏移，即并且滤波器对信号每个频点引起的偏移均不相同，由于每一路时延电路均会对其产生相应影响，因此可得延时矩阵
其中aij表示第j路通道对于信号第i个频点产生的幅度衰减，fi表示第i个频点，τi表示第 i路通道的时延。
在经过延时电路后，信号经过具有相同采样速率的ADC，同样地，采样周期Tlow＝1/Flow，采样周期Tlow是奈奎斯特采样周期的整数倍，即Tlow＝△ADCTs，采样信号的第i个元素表示为：
y[i]＝s[k1△ADC+△ADC]
其中表示向下取整，s为经过滤波器之后的信号。采样矩阵A中的元素可以表示为
其中i表示第i行，j表示第j列。
采样矩阵A的具体构造方法和时域分析方法类似，这儿就不再赘述了。
因此问题可重新建模成:
y＝AFHdiag(Fz)D
分别对等式两边信号进行向量化操作，可以得到：
vec(y)＝vec(AFHdiag(Fz)D)
＝(DT(AFH))Fz＝Φx
其中Φ＝DT(AFH)，x＝Fz。
因此本发明提出的基于多通道非均匀时延的压缩采样机制可以将超宽带频谱监测建模成压缩感知问题，利用较为成熟的稀疏重构算法即可实现对本宽带接收机的实验验证。
下面实施例利用一系列实验验证所搭平台的可行性。
实验分为两部分，有线数据和无线数据。
实验1：我们利用采集板获取0GHz到1GHz的室内无线信号，延时板的八路延时分别设置为(τ＝0ns,0.5ns,1.6ns,2.5ns,4.5ns,6.2ns,7.7ns,9.2ns)，每路ADC的采样速率(fs＝50Msps)。原始信号频谱如图2所示，恢复信号频谱如图3所示。
实验2：信号源发射两个通信信号，其调制方式分别为BPSK和16QAM，具体参数设置为：载频(fc＝213MHz，628MHz)，符号率(40MHz)，码元个数(symbols＝10000)，延时(τ＝0ns,0.5ns,1.6ns,2.5ns,4.5ns,6.2ns,7.7ns,9.2ns)，每路ADC的采样速率(fs＝50Msps)。原始信号功率谱如图4所示，恢复信号功率谱如图5所示。
实施例通过实验验证了平台的可行性，利用GAMP-PCSBL方法很好的实现了频谱估计，算法复杂度低。此超宽带接收机可以很好的投入到实际应用中。

Claims (2)

1.基于多通道非均匀时延的压缩采样结构，其特征在于，包括L条不同长度的导线以及每条导线上连接的低速的模数转换器ADC；
一条导线为一条时延通道，通过设置时延通道的长度来控制通过该通道的信号的时延，各ADC对经过了对应通道的信号进行采样，每个ADC的采样速率相等。
2.如权利要求1所述基于多通道非均匀时延的压缩采样结构，其特征在于，L＝8时，8路通道的信号的时延分别设置为0ns、0.5ns、1.6ns、,2.5ns、4.5ns、6.2ns、7.7ns、9.2ns，ADC的采样率为50Msps。
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