一种压缩采样的宽带数字接收机及其信号处理方法
一种压缩采样的宽带数字接收机及其信号处理方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于数据采集处理领域，尤其设及一种针对通信或者雷达信号的亚奈奎斯 特采样的压缩采样的宽带数字接收机及其信号处理方法。
【背景技术】
[0002] 宽带数字接收机在频谱感知、空间信号采集及识别领域有重要的应用。随着模拟 数字转换（ADC)采集技术的发展，数字接收机越来越接近天线，其在对信号的全数字采集 及事后分析和处理，提高接收机系统灵敏度，系统的可重构等方面，相对于传统的模拟接收 机，有显著地优势。目前宽带数字接收机大多采用的是均匀信道化结构，如W0LA结构、基于 FFT的结构，基于CEM的结构。由于基于的基本原理是利用等带宽数字滤波器组构建出均匀 的子信道结构，因此其要系统总的采样率依然是奈奎斯特（Nyquist)速率，且设计时考虑 带通采样的设置和混频的设置。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是提供一种结构简单的应用于亚奈奎斯特采样的压缩采样的宽带 数字接收机，本发明的目的还包括提供一种能够降低系统复杂度的，压缩采样的宽带数字 接收机的信号处理方法。
[0004] 一种压缩采样的宽带数字接收机，包括模拟数字转换器、混频器、前置低通滤波 器、抽取器、均匀信道化滤波器和信道选择模块，
[0005] 模拟数字转换器按采样频率片?采集信号X(n)传送给混频器；
[0006] 混频器将接收的信号X(n)与伪随机序列户(/〇混频，得到混频后序列 刮")=、?(")'/)(")，传送给前置低通滤波器；
[0007] 前置低通滤波器对混频后序列部?）进行滤波，得到滤波后序列 式,,("）= ;(") (H)传送给抽取器；
[000引抽取器对滤波序列后Sc树进行Rd倍的整数倍抽取后得到序列式>)=电>(成"）， 传送给均匀信道化滤波器；
[0009] 均匀信道化滤波器将接收到的序列进行处理，得到M路输出信号 乂'(")，/?=化1，2..心_1，传送给信道选择模块；
[0010] 信道选择模块从接收到的信号乂(M)中选择出前R路信号，得到最终的R路输出信 号yj(n)，j= 0, 1，2.. .R-1。
[0011] 一种压缩采样的宽带数字接收机的信号处理方法，包括W下步骤：
[0012] 步骤一；模拟数字转换器按采样频率采集信号X(n)传送给混频器；
[001引步骤二：混频器将信号X(n)与伪随机序列凤《)混频处理，务树寸(M+rM,)， rGZ，Z是整数，Mp=Tp?fwYQ，Tp是伪随机序列的时间周期，令频率'/" = ^>公，B为输 ip 入信号带宽；
[0014] 步骤前置低通滤波器对混频后序列-卽0进行滤波，得到滤波后序列 =-V(H) */;"(")，滤波后序列的频域值为；
[0015]
[001引其中Rd取不大于f?/(2巧fp+巧）的最大整数；
[0017] 步骤四：滤波序列经抽取器后，每隔Rd个采样点被抽样一次，得到序列
[0018] 步骤五：均匀信道化滤波器将接收到的序列进行处理，得到M路输出信号
[001 引 >';'(")，/ =化 1.2...M-1;
[0020] 步骤六：信道选择模块从接收到的信号_yf(n)中选择出前R路信号，得到最终的R 路输出信号yj(n)，j= 0, 1，2...R-1，每一路的采样频率为t=fwg/(RdK)，K为M路均匀信 道化滤波器的抽取率，f,=fP，并且;< 1。
[0021] 有益效果；
[002引 （1)采用MWC理论构建宽带数字接收机。MWC理论主要用于模拟信息转换（AIC) 的应用。本发明将其应用到宽带数字接收机的实现中，一方面可W保证实现亚奈奎斯特的 采样，在保证输入信号信息能被完全恢复的前提下，采用较少的数据进行存储，从而节省接 收机的存储资源。另一方面，由于其采用伪随机信号进行混频调制，在保证输入信号奈奎斯 特采样的前提下，就可使用本发明结构，而不用考虑传统宽带数字接收设计时的带通采样 的设置和混频的设置问题。
[0023] (2)前置低通滤波器和抽取器。本发明在混频器和信道化接收机中间设置了前置 低通滤波器和抽取器，目的是减小均匀信道化接收机设置的路数，W便降低系统的复杂性。 抽取器的作用是经过低通滤波后的信号可实现第一次降速采样。
[0024] (3)单路混频的MWC结构与均匀信道化接收机结构相结合。本发明采用单路的混 频设计的MWC结构，考虑随机信号调制的频谱特点，即其混频后信号树的DTFT变换是输 入信号x(n)的DTFT变换的x(ej'u)Wfp为周期移位的线性组合。如图4所示，其频谱是W fp为间隔均匀分布的。因此可进一步采用均匀信道化接收机结构。该样使得抽取因子放到 信道化接收机的前端，降低系统的工作频率，从而进一步降低系统设计的复杂性。
[00巧]本发明是在保证信号可恢复的条件下，能够实现亚奈奎斯特压缩采样的宽带数字 接收机设计。宽带数字接收机一般在一段时间内接收的是一个或多个已知的或未知的信 号。该种接收信号的方式与多带信号模型是相一致的，即频域稀疏信号。因此可根据压缩 感知原理，针对频谱稀疏信号，将模拟数字转换扩展到模拟信息转换（AIC)，从而去掉冗余 信息，可进一步压缩采样数据。基于压缩采样的调制宽带转换（MWC)模型，可W很好的处理 多带信号，一种成功的AIC压缩采样结构。MWC理论需要信号与多路伪随机（PN)序列混频。 伪随机序列的选取对信号的重构有较大的影响。为降低PN序列选择的复杂度，本发明采用 单路混频模型，依靠伪随机信号调制产生的信号在频率域的周期移位，从而可构建多个子 带滤波滤波器，实现信号的压缩采样。该种单路混频模型非常适合构建M路均匀的信道化 接收机来实现，从而再从M路中选择R路作为压缩采样的观测矩阵，最后可采用CTF算法从 R路数据中恢复原始信号。
【附图说明】
[0026] 图1是本发明宽带数字接收机的原理框图；
[0027] 图2是基于多相结构均匀信道化滤波器原理框图；
[002引图3是多带信号（N= 2)和伪随机序列的谱图示意；
[0029] 图4是伪随机序列与输入信号混频后谱图示意；
[0030] 图5是线性调频（LFM)信号6路压缩采样数据；
[0031] 图6是LFM信号的重构信号与原始信号在频域的对比图；
[0032] 图7是LFM信号的重构信号与原始信号在时域的对比图；
[0033]图8本发明的宽带数字接收机与标准MWC算法的MSE性能对比。
【具体实施方式】
[0034] 下面将结合附图对本发明做进一步详细说明。
[00巧]本发明应用于通信、雷达等数字接收系统，目的在于提供一种有效的亚奈奎斯特 采样的宽带数字接收机结构，并能够保证准确恢复原始信号。
[0036] 本发明的目的是该样实现的：经模拟数字转换器W采样频率采集的信号x(n) 首先与周期为Tp的伪随机序列哀(《)混频，得到混频后序列巧")=-、-(")?风《);然后如)通过 截止频率为[0,f?/2R。]的hD(n)前置低通滤波器滤波，之后经Rd倍的整数倍抽取后得到序 列.y/7)序列进入M路均匀信道化接收机；最后从M路输出中选择前R路作为压缩采 样的观测数据。
[0037] 本发明适用的条件为：
[003引 （1)输入信号可为多带信号或宽带的雷达信号（如LFM信号），假设其有N个最大 带宽不超过B的信号，则要求最后的选择路数R> 4N。
[0039] (2) X (n)采样序列要满足奈奎斯特采样定理，设其采样频率为f?。
[0040] 做公如是一个周期为Mp的周期伪随机序列，即多(")=公(" +rMp)，rGZ，其中Z 是整数。Mp=TP?f?，Tp是伪随机序列的时间周期，玄如的主值序列为P(n)，P(n)可选用 二值的±IBernoulli随机序列来完成。要求/;，=^>公。 ip
[0041] (4)压缩采样后的R路采样数据yi(n)，y2(n)…，y, (n)…，yE(n)，每一路的采样频 率为t=f化口，K为M路均匀信道化接收机的抽取率。要求t>fp，本发明中取t= fp。
[004 引由此我们得到，系统总的采样率巧
可得亚奈奎斯特 采样系统。
[0043] 本发明是依据压缩采样的MWC原理，对经过与伪随机序列混频得到的周期移位的 线性组合频谱对应的序列进行M路均匀信道化滤波然后，从中选取R路作为压缩采样数据。 同时为减少信道化的路数，降低系统的复杂性，又在混频器和信道化滤波之间加入一级前 置低通滤波与抽取操作。下面结合附图和实例对本发明做详细地描述。
[0044] 结合图1，给出了本发明的系统原理框图，系统由数字混频模块，低通滤波器模块， 抽取器模块，信道化滤波器模块，信道选择模块组成，其中信道化滤波器模块具体实现见图 2所示。图2中El(Z)是信道化设计中原型滤波器的第1个多项分量，IDFT表示逆离散傅 里叶变换。下面我们依次分析信号的处理流程。
[0045] 输入信号x(n)的离散时间傅里叶变换值TFT)为
[004引
（1)
[0047] 该里：
《 = 2 31巧，fw日=1/T为Nyquist采样频率。伪随 机为取{-1，+1}二值的Bernoulli序列例/〇，所/〇的离散傅里叶级数为 [004引
2 )
[0049] 该里P似是伪随机序列例/?)主值序列P(n)的傅里叶变换。因此经过混频器后的 输出信号-f(") =-v(")户("）的DTFT变换为
[0050]
( 3 )
[0051] 该里本发明WN=2为例，图3给出了输入多带信号（N=2)的DTFT变换W及 伪随机序列的傅里叶级数的示意；图4给出了伪随机序列与输入多带信号混频后的谱图示 思〇
[005引 由撕0的DTFT变换结果公式做及图4可知，其DTFT变换的对e''?)是X(n)的 DTFT变换x(ej'u)此频率fp周期移位的线性组合，其频谱是Wfp为间隔均匀分布的。因此 可选其中的R子带构成压缩采样的观测数据。为了实现对R子带的滤波，本发明选用图2所 示的均匀基于多相结构的信道化滤波器接收机。但若直接采用图2结构，系统会随着? 子带数目的增加，信道的个数也会随之增加，因此系统会变得复杂，对硬件的资源占用有较 高的要求，因此本发明引入了前置低通滤波器设置，滤除所需要的R子带，然后再进行信道 化滤波。前置低通滤波器的通带带宽为Rfp，信道化每个子带的带宽可为fp。同时为了降低 前置低通滤波器设计的难度，减小设计阶数，低通滤波器的过渡带可选的宽一些（设为fi)， 贝1J信道化的总带宽设计为Rfp+fi。因此等效为对")巧过R个Hf讯子滤波器，Hf讯定义为：
[0053]
W
[0054] 综上所述，则部0经过低通滤波模块后，信号为相(，?)=亦?)*/?&(，〇,则其频域输 出为：
[0055]
(5)
[005引该里3。取不大于f?/WRfp+^)的最大整数，信号^0(")经3。倍抽取器模块 后，即时域信号如(M)每隔Rd个采样点被抽样一次得信号专，(") =而(成")，则频谱被展开 到-31《《《31。再经过信道化滤波器模块，系统的第m个子信道输出ydm(n)信号的DTFT 变换yd。0)为；
[0057]
(6)
[0058] 最后经R路信道选择模块，即从信道化滤波器的乂<00到的M路输出中选 取前R路作为压缩采样的输出，考虑所有R个所选支路，则写成矩阵形式为
[0059] Y(?)=〇z(?) (7)
[0060] 其中
为长度为化。+1的列向量，其为待求的稀疏解。巫=[护终...《了是大小为rxoLo+d的压缩感知矩阵，其中#=[化'，P(-I。）…P'(4-r+l)]，L。选为能够包括x(?)频谱 所有非零值的最小的整数。货_1是一个有m-1零元素的列向量。
[0061]
(8)
[006引矩阵I(w)=0互（W)求解为稀疏理论的求解问题，同时考虑到处理信号为多带 模型，则求解问题为IMV问题。因此求解可采用CTF算法，将IMV转换为MMV问题。
[0063] 由此我们得到，系统总的采样率为
可得亚奈奎斯特 采样系统。
[0064] 下面给出典型的仿真结果，W验证本发明的可行性。输入信号的采用频率为 =960MHz，采样点数为4096点屯=fp= 30MHz;R= 6 ;前置带通滤波器设计截止频率为 240MHz。图5给出了输入信号为线性调频（LFM)信号的压缩采样后的6路压缩采样数据。 图6和图7分别给出了LFM信号经压缩采样后重构信号和原始信号的频域和时域对比图。 LFM信号的带宽为lOMHz，信噪比SNR为20地。压缩采样后的采样率为R-f；= 180MHz，小 于奈奎斯特采样频率=960MHz。图7给出了恢复信号在0地一30地不同信噪比下的MSE 性能，并与标准MWC算法进行了对比。其MSE计算公式为
[0065]
(9)
[006引其中，.加)和x(n)分别为重构信号和原始信号。由于本发明只采用一路混频，因 此其MSE性能要好于标准MWC算法。从仿真中可W看出，如图8所示，本发明结构可W在亚 奈奎斯特采样的条件下实现对宽带接收的LFM等信号的重构。
【主权项】
1. 一种压缩采样的宽带数字接收机，其特征在于：包括模拟数字转换器、混频器、前置 低通滤波器、抽取器、均匀信道化滤波器和信道选择模块， 模拟数字转换器按采样频率采集信号X (η)传送给混频器； 混频器将接收的信号X (η)与伪随机序列多〇)混频，得到混频后序列对n)=x(〃)·多(〃)， 传送给前置低通滤波器； 前置低通滤波器对混频后序列进行滤波，得到滤波后序列400 传 送给抽取器； 抽取器对滤波序列后进行Rd倍的整数倍抽取后得到序列^(?)=知^?)，传送 给均匀信道化滤波器； 均匀信道化滤波器将接收到的序列进行处理，得到M路输出信号_yf(?)，i = 0, 1，2... M-I，传送给信道选择模块； 信道选择模块从接收到的信号幻中选择出前R路信号，得到最终的R路输出信号 Yj (n), j = 0, I, 2. . . R-Io2. 基于权利要求1所述的一种压缩采样的宽带数字接收机的信号处理方法，其特征在 于，包括以下步骤： 步骤一：模拟数字转换器按采样频率fNYQ采集信号X (η)传送给混频器； 步骤二：混频器将信号x(n)与伪随机序列多⑷混频处理，+ r e Z， Z是整数，Mp= Tp · fNYQ，Tp是伪随机序列的时间周期，令频率，B为输入信号带 宽； 步骤三：前置低通滤波器对混频后序列.(·(〃）进行滤波，得到滤波后序列 \(/7) ，滤波后序列的频域值为：其中Rd取不大于fW(2(Rfp+fT))的最大整数； 步骤四：滤波序列经抽取器后，每隔Rd个采样点被抽样一次，得到序列 Xr(H) = Xn(RhH)-, 步骤五：均匀信道化滤波器将接收到的序列进行处理，得到M路输出信号 y-{n), i = 0, 1,2. ..M-I ； 步骤六：信道选择模块从接收到的信号中选择出前R路信号，得到最终的R路输 出信号y」(n)，j = 0, 1，2. . . R-I，每一路的采样频率为fs= f m(/(RDK)，K为M路均匀信道化 滤波器的抽取率，fs= f p，并且R满足
【专利摘要】本发明公开了一种压缩采样的宽带数字接收机及其信号处理方法。宽带数字接收机，包括模拟数字转换器、混频器、前置低通滤波器、抽取器、均匀信道化滤波器和信道选择模块，模拟数字转换器按采样频率fNYQ采集信号x(n)；混频器将接收的信号与伪随机序列混频，得到混频后序列前置低通滤波器对混频后序列进行滤波，得到滤波后序列抽取器对滤波序列后进行RD倍的整数倍抽取后得到序列均匀信道化滤波器将接收到的序列进行处理，得到M路输出信号信道选择模块从接收到的信号中选择出前R路信号得到最终的R路输出信号。本发明结构简单，能够降低系统复杂度，能够实现亚奈奎斯特采样。
【IPC分类】H04B1/16, G01S7/285
【公开号】CN104901708
【申请号】CN201510054075
【发明人】陈涛, 郭立民, 赵忠凯, 陈亚, 刘志武
【申请人】哈尔滨工程大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年1月30日
【技术领域】
[0001] 本发明属于数据采集处理领域，尤其设及一种针对通信或者雷达信号的亚奈奎斯 特采样的压缩采样的宽带数字接收机及其信号处理方法。
【背景技术】
[0002] 宽带数字接收机在频谱感知、空间信号采集及识别领域有重要的应用。随着模拟 数字转换（ADC)采集技术的发展，数字接收机越来越接近天线，其在对信号的全数字采集 及事后分析和处理，提高接收机系统灵敏度，系统的可重构等方面，相对于传统的模拟接收 机，有显著地优势。目前宽带数字接收机大多采用的是均匀信道化结构，如W0LA结构、基于 FFT的结构，基于CEM的结构。由于基于的基本原理是利用等带宽数字滤波器组构建出均匀 的子信道结构，因此其要系统总的采样率依然是奈奎斯特（Nyquist)速率，且设计时考虑 带通采样的设置和混频的设置。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是提供一种结构简单的应用于亚奈奎斯特采样的压缩采样的宽带 数字接收机，本发明的目的还包括提供一种能够降低系统复杂度的，压缩采样的宽带数字 接收机的信号处理方法。
[0004] 一种压缩采样的宽带数字接收机，包括模拟数字转换器、混频器、前置低通滤波 器、抽取器、均匀信道化滤波器和信道选择模块，
[0005] 模拟数字转换器按采样频率片?采集信号X(n)传送给混频器；
[0006] 混频器将接收的信号X(n)与伪随机序列户(/〇混频，得到混频后序列 刮")=、?(")'/)(")，传送给前置低通滤波器；
[0007] 前置低通滤波器对混频后序列部?）进行滤波，得到滤波后序列 式,,("）= ;(") (H)传送给抽取器；
[000引抽取器对滤波序列后Sc树进行Rd倍的整数倍抽取后得到序列式>)=电>(成"）， 传送给均匀信道化滤波器；
[0009] 均匀信道化滤波器将接收到的序列进行处理，得到M路输出信号 乂'(")，/?=化1，2..心_1，传送给信道选择模块；
[0010] 信道选择模块从接收到的信号乂(M)中选择出前R路信号，得到最终的R路输出信 号yj(n)，j= 0, 1，2.. .R-1。
[0011] 一种压缩采样的宽带数字接收机的信号处理方法，包括W下步骤：
[0012] 步骤一；模拟数字转换器按采样频率采集信号X(n)传送给混频器；
[001引步骤二：混频器将信号X(n)与伪随机序列凤《)混频处理，务树寸(M+rM,)， rGZ，Z是整数，Mp=Tp?fwYQ，Tp是伪随机序列的时间周期，令频率'/" = ^>公，B为输 ip 入信号带宽；
[0014] 步骤前置低通滤波器对混频后序列-卽0进行滤波，得到滤波后序列 =-V(H) */;"(")，滤波后序列的频域值为；
[0015]
[001引其中Rd取不大于f?/(2巧fp+巧）的最大整数；
[0017] 步骤四：滤波序列经抽取器后，每隔Rd个采样点被抽样一次，得到序列
[0018] 步骤五：均匀信道化滤波器将接收到的序列进行处理，得到M路输出信号
[001 引 >';'(")，/ =化 1.2...M-1;
[0020] 步骤六：信道选择模块从接收到的信号_yf(n)中选择出前R路信号，得到最终的R 路输出信号yj(n)，j= 0, 1，2...R-1，每一路的采样频率为t=fwg/(RdK)，K为M路均匀信 道化滤波器的抽取率，f,=fP，并且;< 1。
[0021] 有益效果；
[002引 （1)采用MWC理论构建宽带数字接收机。MWC理论主要用于模拟信息转换（AIC) 的应用。本发明将其应用到宽带数字接收机的实现中，一方面可W保证实现亚奈奎斯特的 采样，在保证输入信号信息能被完全恢复的前提下，采用较少的数据进行存储，从而节省接 收机的存储资源。另一方面，由于其采用伪随机信号进行混频调制，在保证输入信号奈奎斯 特采样的前提下，就可使用本发明结构，而不用考虑传统宽带数字接收设计时的带通采样 的设置和混频的设置问题。
[0023] (2)前置低通滤波器和抽取器。本发明在混频器和信道化接收机中间设置了前置 低通滤波器和抽取器，目的是减小均匀信道化接收机设置的路数，W便降低系统的复杂性。 抽取器的作用是经过低通滤波后的信号可实现第一次降速采样。
[0024] (3)单路混频的MWC结构与均匀信道化接收机结构相结合。本发明采用单路的混 频设计的MWC结构，考虑随机信号调制的频谱特点，即其混频后信号树的DTFT变换是输 入信号x(n)的DTFT变换的x(ej'u)Wfp为周期移位的线性组合。如图4所示，其频谱是W fp为间隔均匀分布的。因此可进一步采用均匀信道化接收机结构。该样使得抽取因子放到 信道化接收机的前端，降低系统的工作频率，从而进一步降低系统设计的复杂性。
[00巧]本发明是在保证信号可恢复的条件下，能够实现亚奈奎斯特压缩采样的宽带数字 接收机设计。宽带数字接收机一般在一段时间内接收的是一个或多个已知的或未知的信 号。该种接收信号的方式与多带信号模型是相一致的，即频域稀疏信号。因此可根据压缩 感知原理，针对频谱稀疏信号，将模拟数字转换扩展到模拟信息转换（AIC)，从而去掉冗余 信息，可进一步压缩采样数据。基于压缩采样的调制宽带转换（MWC)模型，可W很好的处理 多带信号，一种成功的AIC压缩采样结构。MWC理论需要信号与多路伪随机（PN)序列混频。 伪随机序列的选取对信号的重构有较大的影响。为降低PN序列选择的复杂度，本发明采用 单路混频模型，依靠伪随机信号调制产生的信号在频率域的周期移位，从而可构建多个子 带滤波滤波器，实现信号的压缩采样。该种单路混频模型非常适合构建M路均匀的信道化 接收机来实现，从而再从M路中选择R路作为压缩采样的观测矩阵，最后可采用CTF算法从 R路数据中恢复原始信号。
【附图说明】
[0026] 图1是本发明宽带数字接收机的原理框图；
[0027] 图2是基于多相结构均匀信道化滤波器原理框图；
[002引图3是多带信号（N= 2)和伪随机序列的谱图示意；
[0029] 图4是伪随机序列与输入信号混频后谱图示意；
[0030] 图5是线性调频（LFM)信号6路压缩采样数据；
[0031] 图6是LFM信号的重构信号与原始信号在频域的对比图；
[0032] 图7是LFM信号的重构信号与原始信号在时域的对比图；
[0033]图8本发明的宽带数字接收机与标准MWC算法的MSE性能对比。
【具体实施方式】
[0034] 下面将结合附图对本发明做进一步详细说明。
[00巧]本发明应用于通信、雷达等数字接收系统，目的在于提供一种有效的亚奈奎斯特 采样的宽带数字接收机结构，并能够保证准确恢复原始信号。
[0036] 本发明的目的是该样实现的：经模拟数字转换器W采样频率采集的信号x(n) 首先与周期为Tp的伪随机序列哀(《)混频，得到混频后序列巧")=-、-(")?风《);然后如)通过 截止频率为[0,f?/2R。]的hD(n)前置低通滤波器滤波，之后经Rd倍的整数倍抽取后得到序 列.y/7)序列进入M路均匀信道化接收机；最后从M路输出中选择前R路作为压缩采 样的观测数据。
[0037] 本发明适用的条件为：
[003引 （1)输入信号可为多带信号或宽带的雷达信号（如LFM信号），假设其有N个最大 带宽不超过B的信号，则要求最后的选择路数R> 4N。
[0039] (2) X (n)采样序列要满足奈奎斯特采样定理，设其采样频率为f?。
[0040] 做公如是一个周期为Mp的周期伪随机序列，即多(")=公(" +rMp)，rGZ，其中Z 是整数。Mp=TP?f?，Tp是伪随机序列的时间周期，玄如的主值序列为P(n)，P(n)可选用 二值的±IBernoulli随机序列来完成。要求/;，=^>公。 ip
[0041] (4)压缩采样后的R路采样数据yi(n)，y2(n)…，y, (n)…，yE(n)，每一路的采样频 率为t=f化口，K为M路均匀信道化接收机的抽取率。要求t>fp，本发明中取t= fp。
[004 引由此我们得到，系统总的采样率巧
可得亚奈奎斯特 采样系统。
[0043] 本发明是依据压缩采样的MWC原理，对经过与伪随机序列混频得到的周期移位的 线性组合频谱对应的序列进行M路均匀信道化滤波然后，从中选取R路作为压缩采样数据。 同时为减少信道化的路数，降低系统的复杂性，又在混频器和信道化滤波之间加入一级前 置低通滤波与抽取操作。下面结合附图和实例对本发明做详细地描述。
[0044] 结合图1，给出了本发明的系统原理框图，系统由数字混频模块，低通滤波器模块， 抽取器模块，信道化滤波器模块，信道选择模块组成，其中信道化滤波器模块具体实现见图 2所示。图2中El(Z)是信道化设计中原型滤波器的第1个多项分量，IDFT表示逆离散傅 里叶变换。下面我们依次分析信号的处理流程。
[0045] 输入信号x(n)的离散时间傅里叶变换值TFT)为
[004引
（1)
[0047] 该里：
《 = 2 31巧，fw日=1/T为Nyquist采样频率。伪随 机为取{-1，+1}二值的Bernoulli序列例/〇，所/〇的离散傅里叶级数为 [004引
2 )
[0049] 该里P似是伪随机序列例/?)主值序列P(n)的傅里叶变换。因此经过混频器后的 输出信号-f(") =-v(")户("）的DTFT变换为
[0050]
( 3 )
[0051] 该里本发明WN=2为例，图3给出了输入多带信号（N=2)的DTFT变换W及 伪随机序列的傅里叶级数的示意；图4给出了伪随机序列与输入多带信号混频后的谱图示 思〇
[005引 由撕0的DTFT变换结果公式做及图4可知，其DTFT变换的对e''?)是X(n)的 DTFT变换x(ej'u)此频率fp周期移位的线性组合，其频谱是Wfp为间隔均匀分布的。因此 可选其中的R子带构成压缩采样的观测数据。为了实现对R子带的滤波，本发明选用图2所 示的均匀基于多相结构的信道化滤波器接收机。但若直接采用图2结构，系统会随着? 子带数目的增加，信道的个数也会随之增加，因此系统会变得复杂，对硬件的资源占用有较 高的要求，因此本发明引入了前置低通滤波器设置，滤除所需要的R子带，然后再进行信道 化滤波。前置低通滤波器的通带带宽为Rfp，信道化每个子带的带宽可为fp。同时为了降低 前置低通滤波器设计的难度，减小设计阶数，低通滤波器的过渡带可选的宽一些（设为fi)， 贝1J信道化的总带宽设计为Rfp+fi。因此等效为对")巧过R个Hf讯子滤波器，Hf讯定义为：
[0053]
W
[0054] 综上所述，则部0经过低通滤波模块后，信号为相(，?)=亦?)*/?&(，〇,则其频域输 出为：
[0055]
(5)
[005引该里3。取不大于f?/WRfp+^)的最大整数，信号^0(")经3。倍抽取器模块 后，即时域信号如(M)每隔Rd个采样点被抽样一次得信号专，(") =而(成")，则频谱被展开 到-31《《《31。再经过信道化滤波器模块，系统的第m个子信道输出ydm(n)信号的DTFT 变换yd。0)为；
[0057]
(6)
[0058] 最后经R路信道选择模块，即从信道化滤波器的乂<00到的M路输出中选 取前R路作为压缩采样的输出，考虑所有R个所选支路，则写成矩阵形式为
[0059] Y(?)=〇z(?) (7)
[0060] 其中
为长度为化。+1的列向量，其为待求的稀疏解。巫=[护终...《了是大小为rxoLo+d的压缩感知矩阵，其中#=[化'，P(-I。）…P'(4-r+l)]，L。选为能够包括x(?)频谱 所有非零值的最小的整数。货_1是一个有m-1零元素的列向量。
[0061]
(8)
[006引矩阵I(w)=0互（W)求解为稀疏理论的求解问题，同时考虑到处理信号为多带 模型，则求解问题为IMV问题。因此求解可采用CTF算法，将IMV转换为MMV问题。
[0063] 由此我们得到，系统总的采样率为
可得亚奈奎斯特 采样系统。
[0064] 下面给出典型的仿真结果，W验证本发明的可行性。输入信号的采用频率为 =960MHz，采样点数为4096点屯=fp= 30MHz;R= 6 ;前置带通滤波器设计截止频率为 240MHz。图5给出了输入信号为线性调频（LFM)信号的压缩采样后的6路压缩采样数据。 图6和图7分别给出了LFM信号经压缩采样后重构信号和原始信号的频域和时域对比图。 LFM信号的带宽为lOMHz，信噪比SNR为20地。压缩采样后的采样率为R-f；= 180MHz，小 于奈奎斯特采样频率=960MHz。图7给出了恢复信号在0地一30地不同信噪比下的MSE 性能，并与标准MWC算法进行了对比。其MSE计算公式为
[0065]
(9)
[006引其中，.加)和x(n)分别为重构信号和原始信号。由于本发明只采用一路混频，因 此其MSE性能要好于标准MWC算法。从仿真中可W看出，如图8所示，本发明结构可W在亚 奈奎斯特采样的条件下实现对宽带接收的LFM等信号的重构。
【主权项】
1. 一种压缩采样的宽带数字接收机，其特征在于：包括模拟数字转换器、混频器、前置 低通滤波器、抽取器、均匀信道化滤波器和信道选择模块， 模拟数字转换器按采样频率采集信号X (η)传送给混频器； 混频器将接收的信号X (η)与伪随机序列多〇)混频，得到混频后序列对n)=x(〃)·多(〃)， 传送给前置低通滤波器； 前置低通滤波器对混频后序列进行滤波，得到滤波后序列400 传 送给抽取器； 抽取器对滤波序列后进行Rd倍的整数倍抽取后得到序列^(?)=知^?)，传送 给均匀信道化滤波器； 均匀信道化滤波器将接收到的序列进行处理，得到M路输出信号_yf(?)，i = 0, 1，2... M-I，传送给信道选择模块； 信道选择模块从接收到的信号幻中选择出前R路信号，得到最终的R路输出信号 Yj (n), j = 0, I, 2. . . R-Io2. 基于权利要求1所述的一种压缩采样的宽带数字接收机的信号处理方法，其特征在 于，包括以下步骤： 步骤一：模拟数字转换器按采样频率fNYQ采集信号X (η)传送给混频器； 步骤二：混频器将信号x(n)与伪随机序列多⑷混频处理，+ r e Z， Z是整数，Mp= Tp · fNYQ，Tp是伪随机序列的时间周期，令频率，B为输入信号带 宽； 步骤三：前置低通滤波器对混频后序列.(·(〃）进行滤波，得到滤波后序列 \(/7) ，滤波后序列的频域值为：其中Rd取不大于fW(2(Rfp+fT))的最大整数； 步骤四：滤波序列经抽取器后，每隔Rd个采样点被抽样一次，得到序列 Xr(H) = Xn(RhH)-, 步骤五：均匀信道化滤波器将接收到的序列进行处理，得到M路输出信号 y-{n), i = 0, 1,2. ..M-I ； 步骤六：信道选择模块从接收到的信号中选择出前R路信号，得到最终的R路输 出信号y」(n)，j = 0, 1，2. . . R-I，每一路的采样频率为fs= f m(/(RDK)，K为M路均匀信道化 滤波器的抽取率，fs= f p，并且R满足
【专利摘要】本发明公开了一种压缩采样的宽带数字接收机及其信号处理方法。宽带数字接收机，包括模拟数字转换器、混频器、前置低通滤波器、抽取器、均匀信道化滤波器和信道选择模块，模拟数字转换器按采样频率fNYQ采集信号x(n)；混频器将接收的信号与伪随机序列混频，得到混频后序列前置低通滤波器对混频后序列进行滤波，得到滤波后序列抽取器对滤波序列后进行RD倍的整数倍抽取后得到序列均匀信道化滤波器将接收到的序列进行处理，得到M路输出信号信道选择模块从接收到的信号中选择出前R路信号得到最终的R路输出信号。本发明结构简单，能够降低系统复杂度，能够实现亚奈奎斯特采样。
【IPC分类】H04B1/16, G01S7/285
【公开号】CN104901708
【申请号】CN201510054075
【发明人】陈涛, 郭立民, 赵忠凯, 陈亚, 刘志武
【申请人】哈尔滨工程大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年1月30日
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