CN110943954B - 基于贪婪算法的调制宽带转换器混频序列优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于贪婪算法的调制宽带转换器混频序列优化方法，包括以下步骤：S1：输入频率变化的正弦信号x(t)作为系统测试信号，将输入的测试信号x(t)分别与调制宽带转换器的m个通道的伪随机序列混频，m个通道的每个通道伪随机序列都是独立的；S2：将每一通道的混频结果用截止频率为Fs/2的低通滤波器滤波之后再将滤波结果以Fs的采样频率进行采样，获取每个通道采样值y_i(n),i＝1,2,…,m；解决了以往方法中混频序列使得调制宽带解调器各个频段信号，在噪声环境下的重构性能不稳定，灵敏度对信号频谱位置变化敏感的问题。

Description

基于贪婪算法的调制宽带转换器混频序列优化方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，特别是基于贪婪算法的调制宽带转换器混频序列优化方法。

背景技术

近些年来，压缩感知理论不断发展，该理论证明在宽带信号具有稀疏性的前提下，可以实现欠采样，并通过重构算法恢复出原始信号。基于压缩感知理论的欠采样方法突破了奎斯特采样定理的极限，能够极大的降低采样速率与减少存储、传输数据量，广泛应用于图像处理与信号采集等领域

稀疏多频带信号是一种带通信号，其频谱仅包含有限个不为0的窄带信号，并且信号的频带位置是随机的。此类信号整个频谱大部分频段不包含信息，信息只占据少部分频段。可以以此作为先验信息，用远小于Nyquist采样率的采样率对超宽带信号进行欠采样，实现宽带频谱检测。

调制宽带转换器(Modulated Wideband Converter，MWC)是一种基于压缩感知理论针对多频带信号的新型欠采样系统。一种典型的调制宽带转换器系统如图1所示。调制宽带转换器为多通道采样系统，每个通道包括如下元器件：混频器、均衡器、功率放大器、低通滤波器和模数转换器，多通道采样数据共同进入信号重构模块，。信号的处理流程依次为：功分、混频、功放、均衡、低通滤波、采样、信号重构。

调制宽带转换器的原理如下：稀疏多频带信号进入调制宽带转换器系统，经过功分之后被m个通道并行接收；每个通道用码片切换速率相同但切换模式不同的周期伪随机序列进行调制，调制的目的在于将高频成分搬移至低频，调制后的信号经过低通滤波、欠采样，获得信号的全局观测数据。最终再利用压缩感知重构算法重构信号频谱位置。

调制宽带转换器系统所用器件为宽带模拟器件，各项指标，尤其是衰减，在整个频带内变化比较剧烈，难以保持稳定统一，如图2所示。不同频段的信号与混频序列频谱系数相乘之后搬移到基带、叠加，在此过程中，如图3所示，器件不同的衰减系数会使得某些频段信号被增强，某些频段信号被削弱。最终导致不同频段的重构性能不一直，灵敏度随频谱位置变化剧烈。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了基于贪婪算法的调制宽带转换器混频序列优化方法，解决了以往方法中混频序列使得调制宽带解调器各个频段信号，在噪声环境下的重构性能不一致，灵敏度对信号频谱位置变化敏感的问题。

本发明采用的技术方案是，基于贪婪算法的调制宽带转换器混频序列优化方法，包括以下步骤：

S1：输入正弦信号x(t)作为系统测试信号，将输入的测试信号x(t)分别与调制宽带转换器的m个通道的伪随机序列相乘，所述m个通道的每个同道伪随机序列都是正交的；

S2：将每一通道的混频结果用截止频率为Fs/2的低通滤波器滤波之后再将滤波结果以Fs的采样频率进行采样，求取每个通道采样值y_i(n),i＝1,2,…,m；

S3：对每个通道的采样值y_i(n)求取频域DTFT，提取其幅度信息，绘制幅度—频率响应曲线H_i(f)；

S4：生成码片数为M的混频序列pn_i(n)及目标函数与约束条件；

S5：将生成的混频序列带入代价函数中计算，获得计算结果l；

S6：将混频序列pn_i(n)中的每一个码片依次取反，获得M组新的混频序列，分别带入代价函数中计算结果l(n),n＝1,2,…,M；

S7：判断记录l(n)中符合约束条件的最小值l'，l'是否小于l，若是，则用l'替代l，l＝l'并选取l'对应的改进序列代替原始序列pn_i(n)；若否，则代价函数不再下降。

优选地，S1包括以下子步骤：

S11：调制宽带转换器的第i条通道的伪随机序列为p_i(t)，根据傅里叶变换，得到伪随机序列p_i(t)的具体表达式为：

其中：l为傅里叶级数，c_il为傅里叶系数，j是复数单位，T_p是伪随机序列的周期，t为时间；根据傅里叶反变换，得到傅里叶系数c_il的表达式为：

S12：输入正弦信号x(t)，将输入的正弦信号x(t)分别与调制宽带转换器的m个通道的混频序列相乘，得到相乘后结果的第i条通道信号频域Y_i'(f)的表达式为：

其中，f是频域；

S13：将混频结果通过截止频率为Fs/2的低通滤波器，得到滤波后的信号并采样，得到第i个通道输出采样值y_i(n)的频域DTFT表达式为：

其中：

代表第i条通道输出的采样值y_i(n)的频域，f_p为混频序列的频率，X()是x(t)的频域，L₀是使稀疏信号x(t)的全部非零值包含在低通滤波器的最小正整数，L₀的表达式为:

其中，f_nyq为监测频段的奈奎斯特采样速率。

优选地，S3的采样信号频域为：

由于模拟器件的非理想特性，各参数指标在监测带宽之内难以保持稳定统一，在各项指标中幅度衰减影响尤为巨大，起伏尤为剧烈，实际接收到的采样信号频域为：

其中，a_il为第i条通道的第l个频段的幅度衰减，输入的测试信号为频率为kf_p,k＝0,1,2,…,L₀的正弦信号，接收信号的频域为：

其中，δ()是单位冲激函数，h_k是正弦信号的频域幅值，c_ik是第i个通道第k个频段混频序列频谱的幅值，可以通过matlab软件计算获得，实际系统的幅度—频率响应为

优选地，S4包括以下子步骤：

S41：初始的混频序列为伪随机序列，由matlab随机生成，混频序列优化的目标函数为：

其中，

PN_i＝FFT(pn_i)，pn_i(n)为第i个通道的混频序列，i＝1,2,…,m，H_i(f)为实际测出的第i个通道的幅度—频率响应曲线；

S42：约束条件为：

其中,

为第i个通道的混频序列pn_i(n)与第j个通道的混频序列pn_j(n)的相关函数。

优选地，S5的代价函数为：

其中，

PN_i＝FFT(pn_i)，pn_i(n)为第i个通道的混频序列，i＝1,2,…,m,H_i(f)为实际测出的第i个通道的幅度—频率响应曲线。

本发明基于贪婪算法的调制宽带转换器混频序列优化方法的有益效果如下：

经本发明优化后的混频序列能使得调制宽带解调器各个频段信号在噪声环境下的重构性能更为稳定，灵敏度随频率变化不剧烈。

附图说明

图1为本发明基于贪婪算法的调制宽带转换器混频序列优化方法的的典型的调制带宽转换器的系统示意图。

图2为本发明基于贪婪算法的调制宽带转换器混频序列优化方法的巴伦电路、混频器和功率放大器的非理想特性图。

图3为本发明基于贪婪算法的调制宽带转换器中混频序列优化方法的器件非理想特性对MWC系统的影响图。

图4为本发明基于贪婪算法的调制宽带转换器混频序列优化方法的使用优化的混频序列进行矫正的基本原理。

图5为本发明基于贪婪算法的调制宽带转换器混频序列优化方法的测试系统的结构图。

图6为本发明基于贪婪算法的调制宽带转换器混频序列优化方法的混频序列优化的流程图。

图7为本发明基于贪婪算法的调制宽带转换器混频序列优化方法的测试得到的系统的相对系统响应曲线，表示系统对不同频率的幅度影响图。

图8为本发明基于贪婪算法的调制宽带转换器混频序列优化方法的混频序列优化前后系统对不同频率在90％重构概率下的灵敏度曲线图。

图9本发明基于贪婪算法的调制宽带转换器混频序列优化方法的流程图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1和图9所示，基于贪婪算法的调制宽带转换器混频序列优化方法，方法包括以下步骤：

步骤一、实施例中设定调制宽带转换器共有m＝4条通道，第i条通道的伪随机序列为p_i(t)，其具体表达式为

其中l为傅里叶级数，c_il为傅里叶系数，j是复数单位，T_p是伪随机序列的周期，t为时间，每个通道的伪随机序列都是独立的。

步骤二、如图5所示，输入正弦信号x(t)＝sin(2πft)作为系统测试信号，初始正弦信号的频率为80MHz，将输入的测试信号x(t)分别与调制宽带转换器的m个通道的伪随机序列混频，每个通道的伪随机序列都是独立的。

步骤三、将每一通道的混频结果用截止频率为Fs/2＝200MHz的低通滤波器滤波，再将滤波结果以Fs＝80MHz的采样频率进行采样，求取每个通道采样值y_i(n),i＝1,2,…,m。

步骤四、每次对测试信号x(t)的频率f增加80MHz，并重复步骤二和步骤三，得到一系列测试信号在不同频率时每个通道的采样值。

步骤五、根据公式

对步骤四中得到的每个通道的采样值y_i(n)求取DTFT，提取其幅度信息，绘制幅度—频率响应曲线H_i(f)，如图7中所示。

步骤六、使用matlab生成码片数为M＝75的混频序列pn_i(n)，每个码片的值为+1或-1。

步骤七、使用步骤五绘制的H_i(f)和步骤六中生成的pn_i(n)设定混频序列优化的代价函数为：

约束条件为：

和

步骤八、将生成的混频序列带入代价函数中计算，获得计算结果l。

步骤九、将混频序列pn_i(n)中的每一个码片依次取反，获得M组新的混频序列，分别带入代价函数中计算结果l(n),n＝1,2,…,M。记录l(n)中符合约束条件的最小值l'，若l'小于l，则用l'替代l，l＝l'并选取l'对应的改进序列代替原始序列pn_i(n)。

步骤十、如图6中优化流程所示，重复步骤八和步骤九的迭代过程，直到代价函数不再下降为止。

步骤十一、使用步骤十中得到的混频序列代替之前的序列，重复步骤一到步骤五的测试过程。

如图8所示，在系统中使用经过优化的混频序列，系统的幅度—频率响应曲线更加平稳，MWC系统重构所需的灵敏度随频率变化更小。

Claims (2)

1.基于贪婪算法的调制宽带转换器混频序列优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：输入频率变化的正弦信号x(t)作为系统测试信号，将输入的测试信号x(t)分别与调制宽带转换器的m个通道的伪随机序列混频，所述m个通道的每个同道伪随机序列都是独立的；

S2：将每一通道的混频结果用截止频率为Fs/2的低通滤波器滤波之后再将滤波结果以Fs的采样频率进行采样，求取每个通道采样值y_i(n),i＝1,2,…,m；

S3：对每个通道的采样值y_i(n)求取离散时间傅里叶变换，提取其幅度信息，与MATLAB中计算出的混频结果的频谱幅度进行比照，绘制增益—频率响应曲线H_i(f)；

S4：生成码片数为M的混频序列pn_i(n)及代价函数与约束条件；

S5：将生成的混频序列带入代价函数中计算，获得计算结果l₁；

S6：将混频序列pn_i(n)中的每一个码片依次取反，获得M组新的混频序列，分别带入代价函数中计算结果l1(n),n＝1,2,...,M；

S7：选取记录l1(n)中符合约束条件的最小值l′₁，l’₁是否小于l₁，若是，则用l′₁替代l₁，l1＝l′₁并选取l′₁对应的改进序列代替原始序列pn_i(n)；若否，则代价函数不再下降；

所述S1包括以下子步骤：

S11：调制宽带转换器的第i条通道的伪随机序列为p_i(t)，根据傅里叶变换，得到伪随机序列p_i(t)的具体表达式为：

其中：l为傅里叶级数，c_il为傅里叶系数，j是复数单位，T_p是伪随机序列的周期，t为时间；根据傅里叶反变换，得到傅里叶系数c_il的表达式为：

S12：输入正弦信号x(t)，将输入的正弦信号x(t)分别与调制宽带转换器的m个通道的混频序列相乘，得到相乘后结果的第i条通道信号频域Y_i′(f)的表达式为：

其中，f是频率；

S13：将混频结果通过截止频率为Fs/2的低通滤波器，得到滤波后的信号并采样，得到第i个通道输出采样值y_i(n)的离散时间傅里叶变换表达式为：

其中：

代表第i条通道输出的采样值y_i(n)的频域，f_p为混频序列的频率，X(f)是x(t)的频谱，L₀是频带被伪随机序列混频时被分成的频段数，L₀的表达式为:

其中，f_nyq为监测频段的奈奎斯特采样速率；

所述S3的采样信号频域为：

由于模拟器件的非理想特性，各参数指标在监测带宽之内难以保持稳定统一，接收信号频谱为：

其中，a_il为第i条通道的第l个频段的幅度增益，输入的测试信号频率为kf_p,k＝1,2,…,L₀的正弦信号，接收信号的频谱为：

其中，h_k是正弦信号的频域幅值，c_ik是第i个通道第k个频段混频序列频谱的幅值，可以通过MATLAB软件计算获得，实际系统的增益—频率响应为

其中，Ts表示采样间隔、L₀表示S13中所述频带被伪随机序列混频时被分成的频段数、C_ik表示第i个通道第k个频段混频序列频谱的幅值；

所述S4包括以下子步骤：

S41：初始的混频序列为伪随机序列，由matlab随机生成，混频序列优化的目标函数为：

其中，

PN_i＝FFT(pn_i)，pn_i(n)为第i个通道的混频序列，i＝1,2,…,m，H_i(f)为实际测出的第i个通道的幅度—频率响应曲线，Hl_i(lf_p)表示H_i(f)在整数倍f_p的频点处的幅度—频率响应曲线的幅度值；

S42：约束条件为：

其中,

为第i个通道的混频序列pn_i(n)与第j个通道的混频序列pn_j(n)的相关函数，λ₁和λ₂表示人为设定的两个足够小的数，当相关函数值小于这两个数是认为混频序列无关。

2.根据权利要求1所述的基于贪婪算法的调制宽带转换器混频序列优化方法，其特征在于，所述S5的代价函数为：

其中，

PN_i＝FFT(pn_i)，pn_i(n)为第i个通道的混频序列，i＝1,2,…,m,Hl_i(lf_p)表示H_i(f)在整数倍f_p的频点处的幅度—频率响应曲线的幅度值。

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