基于壓縮感知的多頻帶信號(hào)欠采樣重構(gòu)方法及實(shí)現(xiàn)該方法的裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及信號(hào)采集及信號(hào)重構(gòu)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，信息傳輸?shù)乃俾什粩嗵岣?。多頻帶信號(hào)被廣泛的應(yīng)用 在射頻通訊等技術(shù)中，其信號(hào)可以達(dá)到非常高的頻率，以適應(yīng)不同的國(guó)際、國(guó)內(nèi)通信標(biāo)準(zhǔn)。 現(xiàn)代無(wú)線電系統(tǒng)中所傳輸信號(hào)的頻率可高達(dá)S波段，帶寬可以達(dá)到3GHz。雖然整個(gè)頻帶 較寬，但從頻域上來(lái)看，多頻帶信號(hào)是由所處頻譜位置不同的窄帶信號(hào)組合而成。因此，多 頻帶信號(hào)可以被認(rèn)為是稀疏信號(hào)。近些年提出的壓縮感知理論為頻域稀疏信號(hào)的欠奈奎斯 特采樣提供了一個(gè)良好的切入點(diǎn)。該理論中，對(duì)稀疏信號(hào)進(jìn)行采集的同時(shí)也相應(yīng)的完成了 數(shù)據(jù)壓縮處理。若待采集信號(hào)滿足稀疏性，就可以利用壓縮感知提出的方法實(shí)現(xiàn)高概率的 信號(hào)重構(gòu)。壓縮感知理論可行性所需滿足的條件是：對(duì)待采集信號(hào)已具有較多的先驗(yàn)信息， 例如信號(hào)是否具有可壓縮性獲稀疏性?？蓧嚎s性和稀疏性通常是指在某個(gè)變換空間中的對(duì) 信號(hào)進(jìn)行變換，所得系數(shù)中只有少量元素具有較大值，而其他大部分?jǐn)?shù)據(jù)都等于零或者接 近于零。而多頻帶信號(hào)恰好滿足上述條件，其在整個(gè)頻帶上只包含幾個(gè)的窄帶信號(hào)，其完全 符合壓縮感知理論的先驗(yàn)條件。這就為將壓縮感知利用應(yīng)用于多頻帶信號(hào)的處理提供了可 能。
[0003] 如果利用傳統(tǒng)的采樣方法對(duì)上述高頻多頻帶信號(hào)進(jìn)行采樣，則必須遵循奈奎斯特 采樣定理，即其采樣頻率需高于信號(hào)最大頻率的二倍，這就對(duì)ADC器件的采樣速率提出了 極高的要求，同時(shí)過(guò)高的采樣速率也會(huì)產(chǎn)生龐大的數(shù)據(jù)，也給后端信息的傳輸、存儲(chǔ)等環(huán)節(jié) 帶來(lái)巨大壓力，現(xiàn)有信號(hào)采集設(shè)備和信號(hào)處理設(shè)備難以實(shí)現(xiàn)。解決數(shù)據(jù)過(guò)多常見的方案是 在采樣之后進(jìn)行信號(hào)壓縮，但是，這種先采樣后壓縮的方法首先并不能夠降低前端ADC器 件的采樣速率，而且信號(hào)壓縮與解壓縮將會(huì)需要大量的時(shí)間和存儲(chǔ)空間等資源。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明為了解決傳統(tǒng)信號(hào)重構(gòu)過(guò)程中采樣率高，為后端信息的傳輸、存儲(chǔ)帶來(lái)巨 大壓力，導(dǎo)致了信號(hào)重構(gòu)周期長(zhǎng)的問(wèn)題，提出了一種基于壓縮感知的多頻帶信號(hào)欠采樣重 構(gòu)方法及實(shí)現(xiàn)該方法的裝置。
[0005] 基于壓縮感知的多頻帶信號(hào)欠采樣重構(gòu)方法包括以下步驟：
[0006] 步驟一、被測(cè)多頻帶信號(hào)經(jīng)功分器分為4路被測(cè)稀疏信號(hào)；
[0007] 步驟二、采用FPGA生成4路m序列，并獲得4路m序列值；
[0008] 步驟三、4路被測(cè)稀疏信號(hào)分別與4路m序列一一對(duì)應(yīng)，并采用乘法器進(jìn)行混頻，獲 得4路混頻彳目號(hào)；
[0009] 步驟四、采用低通濾波器對(duì)4路混頻信號(hào)進(jìn)行低通濾波，獲得4路濾波信號(hào)；
[0010] 步驟五、采用數(shù)據(jù)采集卡對(duì)4路濾波信號(hào)進(jìn)行采樣，并將采樣信號(hào)上傳至上位機(jī) 中獲得4個(gè)采樣結(jié)果；
[0011] 步驟六、上位機(jī)根據(jù)4個(gè)采樣結(jié)果通過(guò)正交匹配追蹤方法實(shí)現(xiàn)對(duì)原始被測(cè)多頻帶 信號(hào)的重構(gòu)，并根據(jù)4個(gè)采樣結(jié)果的頻譜與被測(cè)多頻帶信號(hào)的頻譜的關(guān)系獲得被測(cè)多頻帶 信號(hào)的頻譜信息。
[0012] 實(shí)現(xiàn)上述基于壓縮感知的多頻帶信號(hào)欠采樣重構(gòu)方法的裝置包括功分器、FPGA、 信號(hào)調(diào)理電路、乘法器、低通濾波器、數(shù)據(jù)采集卡、遠(yuǎn)程控制器和上位機(jī)，所述FPGA用于生 成4路m序列，且所述4路m序列的初始種子取值均不相同，F(xiàn)PGA的每一路m序列輸出端 分別與一個(gè)信號(hào)調(diào)理電路的調(diào)理信號(hào)輸入端連接，每一個(gè)信號(hào)調(diào)理電路的調(diào)理信號(hào)輸出端 分別與一個(gè)乘法器的一號(hào)信號(hào)輸入端連接，功分器將被測(cè)多頻帶信號(hào)分為4路被測(cè)稀疏信 號(hào)，每一路被測(cè)稀疏信號(hào)分別與一個(gè)乘法器的二號(hào)信號(hào)輸入端連接，每一個(gè)乘法器的信號(hào) 輸出端均與一個(gè)低通濾波電路的信號(hào)輸入端連接，每一個(gè)低通濾波電路的信號(hào)輸出端分別 與數(shù)據(jù)采集卡的一個(gè)信號(hào)輸入端連接，數(shù)據(jù)采集卡的信號(hào)輸入輸出端通過(guò)PXI總線與遠(yuǎn)程 控制器的第一信號(hào)輸出輸入端連接，遠(yuǎn)程控制器的第二信號(hào)輸入輸出端與上位機(jī)的信號(hào)輸 出輸入端連接。
[0013] 所述低通濾波器包括五個(gè)電感和九個(gè)電容，每個(gè)電感均分別與一個(gè)電容串聯(lián)后并 聯(lián)構(gòu)成并聯(lián)電路，該并聯(lián)電路的信號(hào)輸入端和信號(hào)輸出端即為低通濾波器的信號(hào)輸入端和 信號(hào)輸出端，靠近并聯(lián)電路的信號(hào)輸出端的四個(gè)電感上分別并聯(lián)一個(gè)電容。
[0014] 有益效果：本發(fā)明在保證高信號(hào)重構(gòu)概率的前提下，大幅度降低了多頻帶信號(hào)的 采樣率，能夠使實(shí)際采樣率遠(yuǎn)小于信號(hào)的乃奎斯特頻率。本發(fā)明的能夠降低對(duì)ADC器件的 速率的要求，同時(shí)極大減小采樣數(shù)據(jù)量，節(jié)省存儲(chǔ)空間，有利于數(shù)據(jù)的傳輸。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)采 樣與壓縮同時(shí)進(jìn)行，無(wú)需進(jìn)行信號(hào)的壓縮與解壓縮，極大減少了時(shí)間和存儲(chǔ)空間等資源的 使用。
【附圖說(shuō)明】
[0015] 圖1為【具體實(shí)施方式】十所述的實(shí)現(xiàn)基于壓縮感知的多頻帶信號(hào)欠采樣重構(gòu)方法 的裝置的原理框圖；圖2為【具體實(shí)施方式】十三所述的處理模塊的原理框圖；圖3為8階m序 列發(fā)生器的線性反饋的移位寄存器示意圖；圖4為【具體實(shí)施方式】十一所述的低通濾波器的 電路圖；圖5和圖6為重構(gòu)信號(hào)與原信號(hào)在不同位置時(shí)的頻譜對(duì)比圖。
【具體實(shí)施方式】
【具體實(shí)施方式】 [0016] 一、本所述的基于壓縮感知的多頻帶信號(hào)欠采樣重構(gòu) 方法，包括以下步驟：
[0017] 步驟一、被測(cè)多頻帶信號(hào)經(jīng)功分器分為4路被測(cè)稀疏信號(hào)；
[0018] 步驟二、米用FPGA生成4路m序列，并獲得4路m序列值；
[0019] 步驟三、4路被測(cè)稀疏信號(hào)分別與4路m序列一一對(duì)應(yīng)，并采用乘法器進(jìn)行混頻，獲 得4路混頻彳目號(hào)；
[0020] 步驟四、采用低通濾波器對(duì)4路混頻信號(hào)進(jìn)行低通濾波，獲得4路濾波信號(hào)；
[0021] 步驟五、采用數(shù)據(jù)采集卡對(duì)4路濾波信號(hào)進(jìn)行采樣，并將采樣信號(hào)上傳至上位機(jī) 中獲得4個(gè)采樣結(jié)果；
[0022] 步驟六、上位機(jī)根據(jù)4個(gè)采樣結(jié)果通過(guò)正交匹配追蹤方法實(shí)現(xiàn)對(duì)原始被測(cè)多頻帶 信號(hào)的重構(gòu)，并根據(jù)4個(gè)采樣結(jié)果的頻譜與被測(cè)多頻帶信號(hào)的頻譜的關(guān)系獲得被測(cè)多頻帶 信號(hào)的頻譜信息。
【具體實(shí)施方式】 [0023] 二、本與一所述的基于壓縮感知的多頻 帶信號(hào)欠采樣重構(gòu)方法的區(qū)別在于，所述步驟二中m序列發(fā)生器生成4路m序列，并獲得4 路m序列值的過(guò)程為：
[0024] 步驟二一、設(shè)定各觸發(fā)器賦初始狀態(tài)；
[0025] 步驟二二、設(shè)定觸發(fā)器級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)；
[0026] 步驟二三、對(duì)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)進(jìn)行電路功能測(cè)試；
[0027] 步驟二四、對(duì)FPGA的輸出引腳進(jìn)行分配；
[0028] 步驟二五、進(jìn)行鎖相環(huán)模塊設(shè)計(jì)，生成4路m序列；
[0029] 步驟二六、對(duì)FPGA的每個(gè)m序列輸出通道設(shè)定初值，各通道初值不同且保持不 變；
[0030] 步驟二七、對(duì)FPGA輸出的4路m序列進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，且數(shù)據(jù)采集的采樣率與m序 列的跳變頻率相同；
[0031] 步驟二八、設(shè)定采樣時(shí)間，獲得全部m序列在相應(yīng)初值下完整的m序列值。
[0032] 本實(shí)施方式中，采用FPGA的軟件程序代替現(xiàn)有硬件實(shí)現(xiàn)m序列的輸出，減少了硬 件成本，m序列的生成更加可靠穩(wěn)定。
【具體實(shí)施方式】 [0033] 三、本與一所述的基于壓縮感知的多頻 帶信號(hào)欠采樣重構(gòu)方法的區(qū)別在于，所述上位機(jī)內(nèi)嵌入有軟件實(shí)現(xiàn)的處理方法，所述處理 方法包括：
[0034] 用于對(duì)系統(tǒng)采樣參數(shù)進(jìn)行設(shè)置和保存的系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置步驟；
[0035]用于采集數(shù)據(jù)采集卡發(fā)送的采樣信號(hào)的信號(hào)采集步驟；
[0036] 用于對(duì)信號(hào)采集模塊采集到的信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)步驟；
[0037] 用于對(duì)信號(hào)采集模塊采集的信號(hào)進(jìn)行顯示、頻域分析和重構(gòu)的信號(hào)處理步驟；
[0038] 用于將信號(hào)處理模塊處理的分析結(jié)果生成報(bào)表的報(bào)表生成步驟。
[0039] 本實(shí)施方式中，上述處理方法是基于LabVIEW實(shí)現(xiàn)