基于有限新息率的脉冲串信号欠采样系统及方法技术方案

技术编号:15623857 阅读:133 留言:0更新日期:2017-06-14 05:44
基于有限新息率的脉冲串信号欠采样系统及方法,涉及信号处理技术领域。本发明专利技术利用脉冲串信号的参数化特性,通过四通道调制、放大和低通滤波和欠采样处理,获取脉冲串信号频谱中离散分布的傅立叶系数。再通过获取到的少量傅立叶系数重构出未知的幅值和时延参数。本发明专利技术的时延重构精度很高,幅度估计只有很小的误差。

【技术实现步骤摘要】
基于有限新息率的脉冲串信号欠采样系统及方法
本专利技术涉及信号处理
,特别涉及一种基于有限新息率的脉冲串信号欠采样系统及方法。
技术介绍
脉冲串信号广泛存在于无线通信、医学成像和雷达等领域。对于该类信号的采样,传统的奈奎斯特采样定理要求采样率要大于信号最高频率的两倍。随着无线通讯技术的发展,脉冲的时宽越来越窄,对应的带宽越来越宽,导致奈奎斯特样率也越来越高,这无疑给基于奈奎斯特采样定理的采样系统设计带来了严峻的挑战。较高的采样频率要求ADC器件具有较宽的模拟带宽及采样率,同时,高采样率将产生大量的采样数据,这给系统的存储及传输资源也增加了额外的负担。因而,奈奎斯特采样定理逐渐成为脉冲串信号采样系统设计的瓶颈,制约着信号处理技术的发展。2002年,Vetterli等人提出一种利用信号参数化特性的欠采样理论——有限新息率(FiniteRateofInnovation,简称FRI)采样。该理论不同于奈奎斯特采样定理,它指出:对于某些可以由有限数目的自由参量完全表示的参数稀疏信号,如脉冲串信号,只要选用合适的采样核对其滤波后,并以高于或等于信号新息率的速率进行均匀采样,就可以利用采集到的样本完全重构出未知参数。FRI采样理论的采样速率仅由信号的新息率,即单位时间内的自由参数数目决定,一般情况下要远小于信号的奈奎斯特采样率,从而极大地降低了采样速率。对脉冲串信号获取Fourier系数最简单的方法是采用Sinc采样核(即理想低通滤波器),然而,该方法只能够获取一段连续的傅立叶系数子集,重构效果较差;Tur等人引入一种单通道预采样滤波过程来获取任意离散的傅立叶系数,但是这种滤波器的频响特性在实际应用中是难以实现的;Gedalyahu等人利用多通道混频积分结构直接采集输入信号的傅立叶系数,这种结构中每个通道只能采集一个傅立叶系数,硬件系统规模庞大,而且各通道之间的同步是一个很大的问题;为了获取离散分布的傅立叶系数,Eldar等人设计了一种多通道欠采样雷达接收机,然而,为了避免频谱混叠,该结构采用了一种复杂而冗余的模拟预处理过程。迄今为止,在有限新息率理论框架下,如何高效地获取脉冲串信号离散分布的傅立叶系数,仍是一个关键问题。
技术实现思路
针对上述不足,本专利技术提供一种基于有限新息率的脉冲串信号欠采样系统及方法。本专利技术的基于有限新息率的脉冲串信号欠采样系统,所述系统包括调制信号生成模块、四通道欠采样模块和重构模块;调制信号生成模块,用于生成4路调制信号;四通道欠采样模块,用于将待采样脉冲串信号分流成4路后,分别与4路调制信号进行调制,对调制后的4路信号依次进行放大和滤波,截取待采样脉冲串信号频谱中离散分布的四个子带,对四个子带进行欠采样;重构模块,用于根据采样的样本,获取傅立叶系数,利用重构算法从傅立叶系数中估计出待采样脉冲串信号的幅值和时延参数。优选的是,所述四通道欠采样模块中的每个通道的欠采样模块包括乘法器、放大器、滤波器和ADC采样器;待采样脉冲串信号与一路调制信号同时输入至乘法器,经乘法器相乘后输入至放大器,经放大器放大后输入至滤波器,经滤波器低通滤波后,获取分流信号频谱中离散分布的一个子带;ADC采样器以高于低通滤波器截止频率2倍的速率对该子带进行欠采样。优选的是,所述调制信号生成模块,用于生成4路频率各不相同的余弦信号。优选的是,所述放大器的放大倍数为10倍。优选的是,所述系统,还包括显示模块,用于显示估计出的待采样脉冲串信号的幅值和时延参数。本专利技术提供基于有限新息率的脉冲串信号欠采样方法,所述方法包括:步骤一:生成4路调制信号;步骤二:将待采样脉冲串信号分流成4路后分别与4路调制信号进行调制,调制后的4路信号依次进行放大和低通滤波,分别截取滤波后的4路信号频谱中离散分布的子带,以高于低通滤波器截止频率2倍的速率对截取的四个子带进行欠采样;步骤三:对采样的样本进行离散傅立叶变换,获取傅立叶系数,利用重构算法从傅立叶系数中估计出待采样脉冲串信号的幅值和时延参数。优选的是,所述步骤一中,调制信号的频率为ωi,i=1,…,4;其中,N代表采样时间轴上的区间[0,T)所划分的网格数,m表示任意选定的整数,ωmax为待采样脉冲串信号的最高频率。优选的是,所述调制信号为4路频率各不相同的余弦信号。优选的是,所述步骤二包括如下步骤:步骤二一:将待采样脉冲串信号分流成4路后,分别与4路调制信号进行调制;步骤二二:将各通道调制后的信号放大10倍;步骤二三:采用低通滤波器对放大后的信号进行低通滤波,通过四个通道的滤波截取到待采样脉冲串信号频谱中离散分布的四个子带;步骤二四:以高于低通滤波器截止频率2倍的速率进行低速采样,实现欠采样。优选的是,所述步骤三包括如下步骤:步骤三一:采样样本为yi[n],n表示样本数,其连续时间傅立叶变换为Yi(ω),k=1,2,…,K;K表示傅立叶系数的数量;步骤三二:时延参数tl=nl△,△=T/N,其中nl∈{0,1,…,N-1},待采样脉冲串信号x(t)的连续时间傅立叶变换为:al为待采样脉冲串信号的幅值,j指虚部,L表示时延参数的数量;步骤三三:根据公式二和公式三,调制后信号的连续时间傅立叶变换为:其中,Hm(k)为已知的复指数序列;步骤三四:获取K≥2L个非零傅立叶系数采用OMP算法从这些傅立叶系数中估计出参数最后时延参数估计值本专利技术的有益效果在于,本专利技术利用脉冲串信号的参数化特性,通过多通道调制和低通滤波等模拟预处理手段,获取输入信号频谱中离散分布的傅立叶系数。再通过获取到的少量傅立叶系数重构出未知的幅值和时延参数。由于脉冲串信号中单位时间内的未知参数个数要远小于其信号带宽,因此能够极大地降低采样速率。实验验证,本专利技术的时延重构精度很高,幅度估计只有很小的误差。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。附图说明图1为实施方式一中基于有限新息率的脉冲串信号欠采样系统的原理示意图。图2为采用具体芯片实现的基于有限新息率的脉冲串信号欠采样系统的原理示意图。图3为实施方式一中四通道欠采样模块的原理示意图。图4为实验验证中的原始信号;图5为实验验证中利用本专利技术的方法采样重构的信号;图6为不同欠奈奎斯特采样方法的重构效果图。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限定。实施方式一:本实施方式所述的基于有限新息率的脉冲串信号欠采样系统,如图1所示,包括调制信号生成模块、四通道欠采样模块和重构模块;调制信号生成模块,用于生成4路调制信号;四通道欠采样模块,用于将待采样脉冲串信号分流成4路后,分别与4路调制信号进行调制,对调制后的4路信号依次进行放大和滤波,截取待采样脉冲串信号频谱中离散分布的四个子带,对四个子带进行欠采样;重构模块,用于根据采样的样本,获取傅立叶系数,利用重构算法从本文档来自技高网
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基于有限新息率的脉冲串信号欠采样系统及方法

【技术保护点】
一种基于有限新息率的脉冲串信号欠采样系统,其特征在于,所述系统包括调制信号生成模块、四通道欠采样模块和重构模块;调制信号生成模块,用于生成4路调制信号;四通道欠采样模块,用于将待采样脉冲串信号分流成4路后,分别与4路调制信号进行调制,对调制后的4路信号依次进行放大和滤波,截取待采样脉冲串信号频谱中离散分布的四个子带,对四个子带进行欠采样;重构模块,用于根据采样的样本,获取傅立叶系数,利用重构算法从傅立叶系数中估计出待采样脉冲串信号的幅值和时延参数。

【技术特征摘要】
1.一种基于有限新息率的脉冲串信号欠采样系统,其特征在于,所述系统包括调制信号生成模块、四通道欠采样模块和重构模块;调制信号生成模块,用于生成4路调制信号;四通道欠采样模块,用于将待采样脉冲串信号分流成4路后,分别与4路调制信号进行调制,对调制后的4路信号依次进行放大和滤波,截取待采样脉冲串信号频谱中离散分布的四个子带,对四个子带进行欠采样;重构模块,用于根据采样的样本,获取傅立叶系数,利用重构算法从傅立叶系数中估计出待采样脉冲串信号的幅值和时延参数。2.根据权利要求1所述的基于有限新息率的脉冲串信号欠采样系统,其特征在于,所述四通道欠采样模块中的每个通道的欠采样模块包括乘法器、放大器、滤波器和ADC采样器;待采样脉冲串信号与一路调制信号同时输入至乘法器,经乘法器相乘后输入至放大器,经放大器放大后输入至滤波器,经滤波器低通滤波后,获取分流信号频谱中离散分布的一个子带;ADC采样器以高于低通滤波器截止频率2倍的速率对该子带进行欠采样。3.根据权利要求2所述的基于有限新息率的脉冲串信号欠采样系统,其特征在于,所述调制信号生成模块,用于生成4路频率各不相同的余弦信号。4.根据权利要求3所述的基于有限新息率的脉冲串信号欠采样系统,其特征在于,所述放大器的放大倍数为10倍。5.根据权利要求4所述的基于有限新息率的脉冲串信号欠采样系统,其特征在于,所述系统,还包括显示模块,用于显示估计出的待采样脉冲串信号的幅值和时延参数。6.一种基于有限新息率的脉冲串信号欠采样方法,其特征在于,所述方法包括:步骤一:生成4路调制信号;步骤二:将待采样脉冲串信号分流成4路后分别与4路调制信号进行调制,调制后的4路信号依次进行放大和低通滤波,分别截取滤波后的4路信号频谱中离散分布的子带,以高于低通滤波器截止频率2倍的速率对截...

【专利技术属性】
技术研发人员:付宁黄国兴乔立岩范传智曹杰
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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