一种基于压缩感知的OFDM超宽带系统压缩采样方法技术方案

本发明专利技术涉及了一种基于压缩感知的OFDM超宽带系统压缩采样方法，属于无线通信技术领域，该方法的目的是针对OFDM超宽带系统的高速采样问题，在建立分段观测模型的基础上提出基于Hadamard矩阵的优化并行分段压缩采样(OPSCS)方案。本发明专利技术的技术特征在于：利用Hadamard矩阵构造任意维度分段观测矩阵，从而得到正交或准正交的多路观测序列，改善有限等距特性；采用简化的正交匹配追踪算法，避免迭代运算。本发明专利技术有效的实现了OFDM超宽带系统的压缩采样，同时具备良好的抗噪声能力，从而达到比现有压缩采样乃至奈奎斯特速率采样均优越的系统性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于无线通信
，特别涉及一种基于压缩感知的OFDM超宽带系统压缩采样方法。
技术介绍
正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)具有频带利用率高、抗符号串扰能力强、抗频率选择性衰落能力强等优点，是高速无线通信领域的核心。在当前的信息时代，人们对通信信息量的需求日益增加，OFDM技术、多天线技术可在一定程度上提高系统的频带利用率，但要满足未来不断增长的数据传输需求，通过增加系统带宽来提高传输速率乃是最直接最有效的方法。3-10GHz是首个支持超宽带(UWB)通信的频段，最高支持480Mbps数据速率。60GHz频段则可实现高于5Gbps的超高速无线数据传输。OFDM具有频带利用率高、抗符号串扰能力强、抗频率选择性衰落能力强等优点，在高速数据通信、严重多径干扰等应用场合具有不可替代的优势，是未来无线通信技术的核心。现有的3-10GHz标准、60GHz标准均规定OFDM作为实现超宽带的高速无线个域网的物理层方案之一，应用于无线个人局域网、无线高清多媒体接口、医疗成像、双向高速数据传输接口等方面。高速模数转换器(ADC)的实现是UWB基带系统面临的首要挑战与技术瓶颈，也是近年来UWB无线通信发展中的研究热点之一。根据奈奎斯特采样定理，巨大的系统带宽使得UWB接收机需要超高速ADC对信号进行采样，极大增加了系统实现难度。基于满足奈奎斯特速率的ADC，Anderson、Lim等人早期提出一种时域交织采样技术，采用并行多通道分时地进行交替采样，再将多路低速采样结果拼接后输出。近年来，国内外学者开始考虑摆脱奈奎斯特采样定理的束缚，利用信号本身的某些性质研究低速率采样的信号处理方法。压缩感知(CS)理论由Donoho、Candes等人于2004年提出。它是一种具有革命性意义的新型信号采样与复原理论，能对可压缩稀疏信号进行远低于奈奎斯特速率的采样，再通过优化的方法以很高的概率重建原信号。目前，国内外学者已对将压缩感知理论应用于各个通信与信号处理领域进行了广泛研究，如脉冲超宽带(IR-UWB)系统的压缩采样。然而，目前国内外鲜有将CS理论用于OFDM-UWB系统解决接收机高速采样问题的研究。Laska等人最早提出一种基于随机解调(RD)的模拟信号直接压缩采样结构。为精确重建原信号，该结构要求模拟滤波器具有较高的阶数，不利于硬件实现。Yu等人针对OFDM认知无线电系统提出了改进的用于直接模拟信号采样的并行分段压缩采样结构(PSCS)，避免使用高阶模拟滤波器，通过权衡该结构中的行数与段数达到硬件复杂度与采样速率的平衡。Tanish等人首次尝试将压缩感知用于OFDM-UWB系统解决高速采样问题，根据信号稀疏位置已知的特点简化了的正交匹配跟踪算法(OMP)，避免迭代运算，使系统达到了一定的压缩采样效果。Mishali、Eldar提出一种调制宽带转换器(MWC)，用于宽带范围内的多带模拟信号的捕获。上述压缩采样结构均采用伪随机序列作为压缩感知的观测序列，从而实现与正交基之间的不相关性，即满足有限等距性质(RIP)。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对OFDM超宽带系统的高速采样问题，在建立分段观测模型的基础上提出一种基于压缩感知的OFDM超宽带系统压缩采样方法。该方法可有效实现OFDM超宽带系统的压缩采样，同时具备良好的抗噪声能力，方法简便。为了达到以上效果，本专利技术一种基于压缩感知的OFDM超宽带系统压缩采样方法，包括下列步骤：步骤1：构建基于压缩感知的OFDM信号压缩采样模型；步骤2：建立基于分段观测的PSCS等效模型，基于分段模型进行观测和恢复，设计观测矩阵，使模型严格满足RIP条件；步骤3：改进观测序列，利用Hadamard正交矩阵构造分段观测矩阵，得到适用于任意维度的正交或准正交分段观测矩阵，最大化提高观测矩阵的RIP特性；步骤4：采用简化的OMP算法对OPSCS进行恢复。采用基于压缩感知的OFDM超宽带系统压缩采样方法可有效实现OFDM超宽带系统的压缩采样，同时具备良好的抗噪声能力。附图说明：为了更清楚的说明专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造劳动性的前提下，还可以根据附图获得其他的附图。图1是并行分段压缩采样结构原理框图；图2是不同数量观测值下的基于RD的系统误比特率(BER)性能；图3是同一采样速率下的基于RD、PSCS及OPSCS的系统BER性能；图4是不同稀疏度下基于OPSCS的系统BER性能；图5是不同行数与段数下基于OPSCS的系统BER性能；具体实施方式：本专利技术的主旨是提出一种基于压缩感知的OFDM超宽带系统压缩采样方法，在建立分段观测模型的基础上提出基于Hadamard矩阵的优化并行分段压缩采样(OPSCS)方案，有效实现了OFDM超宽带系统的压缩采样，同时具备良好的抗噪声能力。下面结合附图对本专利技术实施方式作进一步详细描述。一、基于压缩感知的OFDM信号压缩采样模型的构建在OFDM系统中，频域信号X＝[X0，X1，...，XN-1]T经过IDFT调制的时域信号可表示为 x n = 1 N Σ k = 0 N - 1 X k e j 2 π k n / N , n = 0 , 1 , ... , N - 1 - - - ( 1 ) ]]>定义向量x＝[x0，x1，...，xN-1]T，则(1)式可表示为矩阵形式x＝QX (2)式中，Q为N×N维逆傅里叶变换矩阵，1≤m≤N，1≤n≤N。在N点数据前加入长为Ng的循环前缀组成完整OFDM符号经DAC输出。接收信号可表示为y＝x+z (3)式中，z＝[z0，z1，...，zN-1]T为N×1维高斯白噪声。经过DFT解调所得频域信号可表示为 Y k = Σ n = 0 N - 1 y n e - j 2 π n k / N , k 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于压缩感知的OFDM超宽带系统压缩采样方法，包括下列步骤：步骤1：构建基于压缩感知的OFDM信号的压缩采样模型；步骤2：建立OFDM信号的分段观测的PSCS等效模型，基于分段模型进行观测和恢复，即设计观测矩阵，使其严格满足RIP条件；步骤3：改进观测序列，利用Hadamard正交矩阵构造分段观测矩阵，得到适用于任意维度的正交或准正交分段观测序列，最大化提高观测矩阵的RIP特性；步骤4：采用简化的OMP算法对OPSCS进行恢复。

【技术特征摘要】
1.一种基于压缩感知的OFDM超宽带系统压缩采样方法，包括下列步骤：步骤1：构建基于压缩感知的OFDM信号的压缩采样模型；步骤2：建立OFDM信号的分段观测的PSCS等效模型，基于分段模型进行观测和恢复，即设计观测矩阵，使其严格满足RIP条件；步骤3：改进观测序列，利用Hadamard正交矩阵构造分段观测矩阵，得到适用于任意维度的正交或准正交分段观测序列，最大化提高观测矩阵的RIP特性；步骤4：采用简化的OMP算法对OPSCS进行恢复。2.根据权利1所述的一种基于压缩感知的OFDM超宽带系统压缩采样方法，其特征在于：步骤1，OFDM信号模型Y＝QHy0＝QHx+Z (1)式中，QH为N×N维傅里叶变换矩阵，Z＝QHz为高斯白噪声的频域形式。OFDM信号的压缩采样模型y＝ΦY＝ΦQHy0＝Φ(QHx+Z) (2)其中，y＝...

【专利技术属性】
技术研发人员：张华，陈明省，戈立军，程以泰，
申请(专利权)人：天津工业大学，
类型：发明
国别省市：天津;12