基于随机解调原理的多通道压缩采样方法技术

本发明专利技术提出一种基于随机解调原理的多通道压缩采样方法，属于信号处理领域，旨在降低作为调制信号的伪随机序列的符号变换速率，使其低于输入信号的奈奎斯特速率，实现步骤为：建立C个采样通道；C个采样通道异步产生低速率调制信号；C个采样通道对输入信号x(t)进行随机调制；C个采样通道对调制后的信号进行低通滤波；C个采样通道对C个滤波后的信号进行同步低速均匀采样；对压缩信号y(n)进行重构。本发明专利技术通过多个采样通道异步产生多个伪随机序列的方法，在保证不降低压缩采样后的重构效果的条件下，降低了单个采样通道中的伪随机序列的符号变换速率，以增强适用于高频信号的压缩采样结构的物理可实现性。

【技术实现步骤摘要】
基于随机解调原理的多通道压缩采样方法
本专利技术属于信号处理
，涉及一种多通道压缩采样方法，具体涉及一种基于随机解调原理的多通道压缩采样方法，可应用于多媒体信息系统、医学成像、遥感成像、通信系统、传感器网络等领域。
技术介绍
采样是指把时间域或空间域的连续量转化成离散量的过程。以奈奎斯特采样定理为指导的信号采样方法，其要求信号的采样率不低于信号最高频率的两倍，这一采样率被称为奈奎斯特速率。由于采样率越高对应的模数转换器的工程实现难度越大，但随着电子信息技术的发展，人们需要处理的数据量也正高速增长，现有模数转换器难以达到奈奎斯特采样定理所需的采样率要求，采样已成为数字信号处理系统发展的一个瓶颈。压缩采样技术是信号处理的一次革命，在信号处理相关的众多领域得到了广泛应用。压缩采样方法是指以远低于奈奎斯特速率的采样率对信号进行采样的方法，目前，国内外所研究的压缩采样技术主要有4种类型：时间交错、随机滤波、随机解调和调制宽带转换器。但是除了随机解调和调制宽带转换器，其它两类压缩采样技术在硬件实现上都有难以克服的缺点，其中，时间交错采样方案在采样时使用的采样速率是时变的，采样速率的随机性在工程实践中存在一定的困难，在高频信号采集时尤为突出；随机滤波采样方案在采样时，随机卷积后直接下采样会导致混叠问题，在后端采用数字下抽样的形式实现低采样，重构时感知矩阵的获取也将非常困难。随机解调是莱斯大学的Jason.Laska等人基于压缩感知理论提出的一种压缩采样方法，该采样方法是单通道压缩采样方法，其利用一高速非周期伪随机序列对信号进行调制，将信号的频谱弥散在全频谱空间，该非周期伪随机序列的符号变换率不低于输入信号的奈奎斯特速率，然后对其进行低通滤波，在低频段获取信号的频谱特征，再以亚奈奎斯特速率进行低速采样。调制宽带转换器是Mishali结合傅里叶分析思想和压缩感知理论，针对具有连续频谱的稀疏宽带信号提出的一种压缩采样结构，该方法是一种多通道的压缩采样方法，在每个通道利用周期性的伪随机序列对输入信号进行混频，能够将输入信号频谱搬移到低频域上，然后在低频域对其进行采样，采样所得的信号包含输入信号的全部频谱信息，因此可以利用压缩采样得到的信号来准确重构输入信号的频谱信息，但是这种方法存在的不足是，在每个通道利用周期性的伪随机序列对输入信号进行混频时，要求该周期性伪随机序列的符号变换速率不低于信号的奈奎斯特速率，对高频信号来说，更高速率的伪随机序列发生器仍不便于工程实现。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述已有技术的不足，提出了一种基于随机解调原理的多通道压缩采样方法，旨在保证压缩采样后具有相同的重构效果的同时，实现单个采样通道中的随机序列的符号变换速率远小于输入信号的奈奎斯特速率，以增强适用于高频信号的压缩采样结构的物理可实现性。为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案包括如下步骤：(1)建立C个采样通道：建立C个并行采样通道，2≤C≤N/2，N表示输入信号x(t)在奈奎斯特速率Fs下对应的采样点个数，第i个采样通道包括伪随机序列发生器、调制器、低通滤波器和模数转换器，其中，t表示本采样结构所用的时间，1≤i≤C，伪随机序列发生器和模数转换器受同一时钟控制；(2)C个采样通道异步产生低速率调制信号：每个采样通道i中的伪随机序列发生器的起始时刻相对于第i-1个采样通道中的伪随机序列发生器的起始时刻延迟1/Fs时长后，产生幅度随机为±1、时间长度为C/Fs的N/C个码片组成的伪随机序列并将该随机序列作为调制信号pi(t)，得到C个低速率调制信号，其中，Δt表示延迟时长，Δt＝1/Fs；(3)C个采样通道对输入信号x(t)进行随机调制：C个采样通道中的每个通道对输入信号x(t)在时域与各自通道的低速率调制信号相乘，得到C个调制后的信号，其中，通道i中调制后的信号为xi1(t)，xi1(t)＝x(t)pi(t)；(4)C个采样通道对调制后的信号进行低通滤波：C个采样通道中的每个通道i利用本通道的低通滤波器对通道i中调制后的信号为xi1(t)进行低通滤波，得到C个滤波后的信号，其中，通道i中滤波后的信号为xi2(t)；(5)C个采样通道对C个滤波后的信号进行同步低速均匀采样：C个采样通道中模数转换器采用同步低速均匀采样方式，对各采样通道中的滤波后的信号进行低速均匀采样，得到C个采样信号，并按照通道序号从小到大或从大到小的顺序对C个采样信号进行拼接，得到压缩信号y(n)；(6)对压缩信号y(n)进行重构：(6a)获取测量矩阵AM,N：将输入信号x(t)的稀疏基函数ψ(t)与每个采样通道i的调制信号pi(t)以及低通滤波器的冲击响应函数hi(t)进行卷积并抽样，得到C个测量矩阵，并按照压缩信号y(n)中采样信号的拼接顺序对C个测量矩阵进行拼接，得到测量矩阵AM,N；(6b)利用测量矩阵AM,N，对压缩信号y(n)进行重构，得到重构信号x(n)。本专利技术与现有技术相比，具有以下优点：本专利技术将随机解调原理应用于多个采样通道，并打破了随机解调原理中对调制信号的符号变换率的限制，让各采样通道所使用的调制信号的符号变换率随着采样通道数量的增加而降低，使其远小于输入信号的奈奎斯特速率；然后在生成作为调制信号的伪随机序列时，通过将各通道产生伪随机序列的起始时刻依次延时，使各通道所产生的伪随机序列的码片的起止时刻相互交错，并利用模数转换器进行同步采样，实现了伪随机序列对输入信号的交错调制，从而能够保证不降低压缩采样后的重构效果，与现有技术相比，增强了适用于高频信号的采样结构的物理可实现性。附图说明图1为本专利技术的实现流程图；图2为采用本专利技术与现有的调制宽带转换器结构对信号进行压缩采样后重构效果的仿真对比图；具体实施方法以下结合附图和具体实施例，对本专利技术进行详细描述：参照图1、一种基于随机解调原理的多通道压缩采样方法，包括如下步骤：步骤1)建立C个采样通道：建立C个并行采样通道，2≤C≤N/2，N表示输入信号x(t)在奈奎斯特速率Fs下对应的采样点个数，第i个采样通道包括伪随机序列发生器、调制器、低通滤波器和模数转换器，各采样通道中的伪随机序列发生器是通过线性反馈移位寄存器实现的，其中，t表示本采样结构所用的时间，1≤i≤C，C个伪随机序列发生器和C个模数转换器共同受同一时钟控制；在本实例中，由于采样通道个数过少时，降低调制信号的符号变换速率的效果不明显，当采样通道个数过多时，需要的物理器件也更多，整个采样结构的体积也更大，也会增加采样结构的物理实现难度，综合考虑，本实例采用通道个数C＝10，即便于物理实现，又能将调制信号的符号变换速率降低一个数量级，此外并行的结构使得各通道能够同时进行压缩处理，能够保证信号处理的实时性，输入信号x(t)为频率集为{0.8,1.4,2.1,2.4,2.7,3.0,3.3}MHz的跳频信号，x(t)的奈奎斯特速率Fs＝107Hz，采样点个数取N＝1000。由于构造伪随机序列的方法有两大类，一类是基于数论的方法构造伪随机序列，另一类是基于线性反馈移位寄存器构造伪随机序列，虽然基于数论的方法构造伪随机序列在理论上容易分析序列的随机性质，但往往不容易实现或者实现的代价比较高，然而基于线性反馈移位寄存器构造的构造方法，虽然在有本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于随机解调原理的多通道压缩采样方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)建立C个采样通道：建立C个并行采样通道，2≤C≤N/2，N表示输入信号x(t)在奈奎斯特速率Fs下对应的采样点个数，第i个采样通道包括伪随机序列发生器、调制器、低通滤波器和模数转换器，其中，t表示本采样结构所用的时间，1≤i≤C，伪随机序列发生器和模数转换器受同一时钟控制；(2)C个采样通道异步产生低速率调制信号：每个采样通道i中的伪随机序列发生器的起始时刻相对于第i‑1个采样通道中的伪随机序列发生器的起始时刻延迟1/Fs时长后，产生幅度随机为±1、时间长度为C/Fs的N/C个码片组成的伪随机序列

【技术特征摘要】
1.一种基于随机解调原理的多通道压缩采样方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)建立C个采样通道：建立C个并行采样通道，2≤C≤N/2，N表示输入信号x(t)在奈奎斯特速率Fs下对应的采样点个数，第i个采样通道包括伪随机序列发生器、调制器、低通滤波器和模数转换器，其中，t表示本采样结构所用的时间，1≤i≤C，伪随机序列发生器和模数转换器受同一时钟控制；(2)C个采样通道异步产生低速率调制信号：每个采样通道i中的伪随机序列发生器的起始时刻相对于第i-1个采样通道中的伪随机序列发生器的起始时刻延迟1/Fs时长后，产生幅度随机为±1、时间长度为C/Fs的N/C个码片组成的伪随机序列并将该随机序列作为调制信号pi(t)，得到C个低速率调制信号，其中，Δt表示延迟时长，Δt＝1/Fs；(3)C个采样通道对输入信号x(t)进行随机调制：C个采样通道中的每个通道对输入信号x(t)在时域与各自通道的低速率调制信号相乘，得到C个调制后的信号，其中，通道i中调制后的信号为xi1(t)，xi1(t)＝x(t)pi(t)；(4)C个采样通道对调制后的信号进行低通滤波：C个采样通道中的每个通道i利用本通道的低通滤波器对通道i中调制后的信号为xi1(t)进行低通滤波，得到C个滤波后的信号，其中，通道i中滤波后的信号为xi2(t)；(5)C个采样通道对C个滤波后的信号进行同步低速均匀采样：C个采样通道中模数转换器采用同步低速均匀采样方式，对各采样通道中的滤波后的信号进行低速均匀采样，得到C个采样信号，并按照通道序号从小到大或从大到小的顺序对C个采样信号进行拼接，得到压缩信号y(n)；(6)对压缩信号y(n)进行重构：(6a)获取测量矩阵AM,N：将输入信号x(t)的稀疏基函数ψ(t)与每个采样通道i的调制信号pi(t)以及低通滤波器的冲击响应函数hi(t)进行卷积并抽样，得到C个测量矩阵，并按照压缩信号y(n)中采样信号的拼接顺序对C个测量矩阵进行拼接，得到测量矩阵AM,N；(6b)利用测量矩阵AM,N，对压缩信号y(n)进行重构，得到重构信号x(n)。2.根据权利要求1所述的基于随机解调原理的多通道压缩采样方法，其特征在于，步骤(1)中所述的建立C个采样通道，其中，各采样通道中的伪随机序列发生器是通过线性反馈移位寄存器实现的。3.根据权利要求1所述的基于随机解调原理的多通道压缩采样方法，其特征在于，步骤(2)中所述的采样...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘乃安，荀振超，张珂，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61