基于反馈结构的多谐波信号欠采样方法及系统技术方案

技术编号:18235811 阅读:159 留言:0更新日期:2018-06-16 23:24
本发明专利技术公开了基于反馈结构的多谐波信号欠采样方法及系统,涉及通信信号处理领域。基于反馈结构的多谐波信号欠采样系统由两个串行的采样通道组成:主采样通道和反馈采样通道。对于K个频率成份的多谐波信号,主采样通道获取2K个样本后,采用Prony算法估计频率参数和幅值参数的可能解组合;根据估计结果生成反馈通道的采样率;反馈采样通道获取2K个样本后,同样采用Prony算法估计频率参数和幅值参数的可能解组合;利用两个通道的估计结果,联合确定信号的频率和幅值参数。本发明专利技术仅需要4K个样本即可解决频率混叠和镜像频率混叠问题,且参数估计精度高、鲁棒性强。 1

Multi harmonic signal undersampling method and system based on feedback structure

The invention discloses a multi harmonic signal undersampling method and system based on feedback structure, and relates to the field of communication signal processing. The multi harmonic signal undersampling system based on feedback structure consists of two serial sampling channels: the main sampling channel and the feedback sampling channel. For the multi harmonic signal of K frequency component, after the main sampling channel obtains the 2K sample, the Prony algorithm is used to estimate the possible combination of the frequency parameters and the amplitude parameters. The sampling rate of the feedback channel is generated according to the estimated results. After the feedback sampling channel obtains the 2K samples, the Prony algorithm is also used to estimate the frequency parameters and amplitude parameters. The combination of the possible solutions is used to determine the frequency and amplitude parameters of the signals jointly by the estimation results of the two channels. The invention only needs 4K samples to solve the aliasing problem of frequency aliasing and image frequency, and the parameter estimation accuracy is high and the robustness is strong. One

【技术实现步骤摘要】
基于反馈结构的多谐波信号欠采样方法及系统
本专利技术属于通信信号处理领域,尤其涉及一种基于反馈结构的多谐波信号欠采样方法及系统。
技术介绍
多谐波信号是一种在实际生活中被广泛使用的信号,经常用在音频、通讯和电力系统中。根据奈奎斯特采样定理我们可知,为了从采样样本中完全重建模拟信号,采样率必须大于或等于信号带宽的两倍。随着多谐波信号带宽的逐步增加,采样设备的压力也随之增大。因而,奈奎斯特(Nyqiust)采样定理逐渐成为多谐波信号采样系统设计的瓶颈,制约着信号处理技术的发展。多谐波信号是一种可以由有限数量的参数来表征的信号,即频率和幅值参数。对于一个由K个频率成份组成的多谐波信号,可以表示为:其中,fk表示信号的第k个频率成份,表示对应的信号复数幅值参数,T表示信号的持续时间,e表示自然对数的底数,j表示虚数单位。假设信号的最大频率为fmax,即0≤fk<fmax,由于多谐波信号y(t)可以由一组频率和幅值参数唯一确定,该信号在时间[0,T)内的自由度为2K。如果以fs的采样率对信号y(t)进行均匀采样,那么采集到的样本可以表示为:其中,fs表示主采样率,N表示采集到的样本数,Z表示整数。当采样率满足Nyquist采样定理,即当fs≥fmax时,参数可以利用谱估计方法唯一确定。然而,当采样率不满足Nyquist采样定理,即当fs<fmax时,将会导致频率混叠问题。根据三角函数的周期性,对于每一个估计频率参数能够得到一组可能解:其中,表示满足公式(a2)的最小可能解,mk表示整数。当信号主采样率fs满足这种特殊情况时,由于频率参数fa和fb难以区分。将这种特殊情况称之为镜像频率混叠。目前已有许多关于多谐波信号的欠Nyquiat采样方案被提出。国外的Zoltowski等人提出了利用延时采样结合空间谱估计来估计频率的方法,然而在某些条件下,估计的频率并不完全准确。有学者基于压缩感知理论提出模拟-信息转换(AIC)技术,如随机解调器(RD)、随机采样(RS)、随机出发的调制宽带压缩采样(RT-MWCS)等结构都可以实现对多谐波信号的欠采样及信号的频率估计,不过该方法中的随机采样很难在硬件中实现,而且估计的精度取决于频率网格的密度,通常为了考虑计算的复杂度,网格密度都不高,因此通常恢复的精度都不高。有学者提出利用双通道采样实现对多谐波信号的频率估计,但是该方法估计出的频率有时并不唯一,为了改进此方法国内华中科技大学的研究团队提出利用三个采样通道互质采样的方法来解决频率混叠,但是该方法需要大量的样本。迄今为止,针对多谐波信号还没有一个所需样本数少、易于实现的抗混叠欠采样方案。因此设计一种简单有效,且能够解决频率混叠、镜像频率混叠问题的欠采样结构十分必要。
技术实现思路
本专利技术针对多谐波信号欠采样出现的频率混叠、镜像频率混叠等问题,旨在提出一种基于反馈结构的多谐波信号欠采样方法及系统。本专利技术的一种基于反馈结构的多谐波信号欠采样方法,包括下述步骤:S1.主采样通道与信号发送单元连接,以对所述信号发送单元发送的多谐波信号进行低速采样获取主采样样本,根据普罗尼算法估计主采样频率参数和主采样幅值参数的主采样可能解组合;S2.根据估计的主频率参数集生成反馈采样率,及切换控制信号,所述信号发送单元根据所述切换控制信号断开与所述主采样通道的连接,与反馈采样通道连接;S3.所述反馈采样通道根据所述反馈采样率对所述多谐波信号进行低速采样获取反馈采样样本,采用普罗尼算法估计反馈频率参数和反馈幅值参数的反馈可能解组合;S4.根据所述主采样可能解组合和所述反馈可能解组合联合获取信号的估计频率和估计幅值参数。优选的,在所述步骤S2中,所述反馈采样率f′s满足:其中,rem((·),1)表示(·)除以1后的余数,ε表示由噪声强度决定的阈值,fa和fb均表示频率参数a,b∈{0,1,…,K-1},K表示信号的谐波个数,fs表示主采样率,m表示整数。优选的,在所述步骤S4中获取信号的估计频率和估计幅值参数的过程为:S41.计算所述主采样通道估计的主采样频率参数可能解:S42.计算所述反馈采样通道估计的反馈采样频率参数可能解:S43.根据主采样频率参数可能解和反馈采样频率参数可能解确定真实的估计频率参数;S44.根据真实的频率参数构造复指数序列:S45.根据复指数序列中的索引集确定真实的估计幅值参数。本专利技术还提供了一种基于反馈结构的多谐波信号欠采样系统,包括:发送单元,用以发送多谐波信号;主采样通道,用以对所述多谐波信号进行低速采样获取主采样样本;第一普罗尼算法单元,用以根据所述主采样样本采用普罗尼算法估计主采样频率参数和主采样幅值参数的主采样可能解组合;反馈采样率生成器,用以根据估计的主频率参数集生成反馈采样率,并生成切换控制信号,所述发送单元根据所述控制信号,断开与所述主采样通道的连接,所述发送单元与反馈采样通道连接;所述反馈采样通道,用以根据所述反馈采样率对所述多谐波信号进行低速采样获取反馈采样样本;第二普罗尼算法单元,用以根据所述反馈采样样本采用普罗尼算法估计反馈频率参数和反馈幅值参数的反馈可能解组合;联合估算单元,用以根据所述主采样可能解组合和所述反馈可能解组合联合获取信号的估计频率和估计幅值参数。优选的,所述反馈采样率f′s满足:其中,rem((·),1)表示(·)除以1后的余数,ε表示由噪声强度决定的阈值,fa和fb均表示频率参数a,b∈{0,1,…,K-1},K表示信号的谐波个数,fs表示主采样率,m表示整数。优选的,所述联合估算单元获取信号的估计频率和估计幅值参数的过程为:计算所述主采样通道估计的主采样频率参数可能解:计算所述反馈采样通道估计的反馈采样频率参数可能解:根据主采样频率参数可能解和反馈采样频率参数可能解确定真实的估计频率参数;根据真实的频率参数构造复指数序列:根据复指数序列中的索引集确定真实的估计幅值参数。上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代,只要能够达到本专利技术的目的。本专利技术的有益效果在于,本专利技术可以实现对多谐波信号的欠采样。当信号频率很高时,采用本专利技术提出的采样方法完成采样和参数估计的速率远小于奈奎斯特采样频率的速率,极大的降低采样设备的压力。多谐波信号欠采样系统可以有效解决频率混叠,以及镜像频率混叠的问题。附图说明图1为本专利技术所述的基于反馈结构的多谐波信号欠采样方法的一种实施例的方法流程图;图2为本专利技术所述的基于反馈结构的多谐波信号欠采样方法的原理图;图3为本专利技术所述的基于反馈结构的多谐波信号欠采样系统的一种实施例的系统框图;图4为不同信噪比下各方法的估计效果曲线图;图5为不同采样样本对估计效果的影响曲线图;图6为不同频率分量的数量对估计效果的影响曲线图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图,对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例,都属于本专利技术保护的范围。需要说明的是,在不冲突的情况下,本专利技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步说明,但不作为本专利技术的本文档来自技高网
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基于反馈结构的多谐波信号欠采样方法及系统

【技术保护点】
1.一种基于反馈结构的多谐波信号欠采样方法,其特征在于,包括下述步骤:

【技术特征摘要】
1.一种基于反馈结构的多谐波信号欠采样方法,其特征在于,包括下述步骤:S1.主采样通道与信号发送单元连接,以对所述信号发送单元发送的多谐波信号进行低速采样获取主采样样本,根据普罗尼算法估计主采样频率参数和主采样幅值参数的主采样可能解组合;S2.根据估计的主频率参数集生成反馈采样率,及切换控制信号,所述信号发送单元根据所述切换控制信号断开与所述主采样通道的连接,与反馈采样通道连接;S3.所述反馈采样通道根据所述反馈采样率对所述多谐波信号进行低速采样获取反馈采样样本,采用普罗尼算法估计反馈频率参数和反馈幅值参数的反馈可能解组合;S4.根据所述主采样可能解组合和所述反馈可能解组合联合获取信号的估计频率和估计幅值参数。2.根据权利要求1所述的基于反馈结构的多谐波信号欠采样方法,其特征在于,在所述步骤S2中,所述反馈采样率fs′满足:其中,rem((·),1)表示(·)除以1后的余数,ε表示由噪声强度决定的阈值,fa和fb均表示频率参数a,b∈{0,1,…,K-1},K表示信号的谐波个数,fs表示主采样率,m表示整数。3.根据权利要求1所述的基于反馈结构的多谐波信号欠采样方法,其特征在于,在所述步骤S4中获取信号的估计频率和估计幅值参数的过程为:S41.计算所述主采样通道估计的主采样频率参数可能解:S42.计算所述反馈采样通道估计的反馈采样频率参数可能解:S43.根据主采样频率参数可能解和反馈采样频率参数可能解确定真实的估计频率参数;S44.根据真实的频率参数构造复指数序列:S45.根据复指数序列中的索引集确定真实的估计幅值参数。4.一种基于反馈结构的多...

【专利技术属性】
技术研发人员:付宁黄国兴曹杰乔立岩
申请(专利权)人:哈尔滨工业大学
类型:发明
国别省市:黑龙江,23

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