一種基于時變門限的單比特壓縮采樣方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于時變門限的單比特壓縮采樣方法，其特征是采用單比特采樣實現(xiàn)高速采樣，利用設(shè)定的時變門限模式來保證信號幅度及相關(guān)參數(shù)的精確估計和波形信號的有效重建。本發(fā)明方法克服了單比特采樣只與零值門限比較的局限性，在低成本、低功耗的條件下實現(xiàn)高采樣率，達到了信號幅度及其它參數(shù)的精確估計和波形信號的有效重建的目的。
【專利說明】
一種基于時變門限的單比特壓縮采樣方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種基于時變門限的單比特壓縮采樣方法，是在低成本、低功耗的條件下，實現(xiàn)高采樣率，達到信號幅度及其它參數(shù)的精確估計和波形信號的有效重建的目的。屬于電子信息工程領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]量化信號是數(shù)字信號處理應(yīng)用中最重要的第一步?，F(xiàn)有技術(shù)中的信號幅度上的高分辨率量化是基于無限精確采樣這個假設(shè)前提下的。當信號有一定的帶寬，就需要在采樣速率和幅度量化精度、造價和功耗這些參數(shù)之間有一個折衷。目前，通常的ADC實現(xiàn)這樣的量化精度和采樣率代價很大，即便是在每秒2-3千兆樣本的采樣速率的情況下，德州儀器公司的ADC要價達數(shù)千美元。采用單比特采樣，預(yù)期在大批量生產(chǎn)情況下的ADC成本可以大大降低至數(shù)美元?？紤]到成本和功耗，單比特ADC較傳統(tǒng)的多比特ADC更容易滿足高精度高采樣率的要求。
[0003]現(xiàn)有技術(shù)中的壓縮采樣為了達到節(jié)約成本的目的，大多數(shù)采用的是減少采樣的樣本數(shù)目。這種方法雖然在理論上有很多深入的研究，但是鮮見最能夠體現(xiàn)其特色的實際應(yīng)用系統(tǒng)，尤其是具有很好商業(yè)價值的成功應(yīng)用系統(tǒng)。
[0004]降低幅度量化精度的一個極端的表現(xiàn)是只用單比特來表示一個樣本，只需要比較信號與參考門限值，然后記錄信號是高于還是低于參考門限。單比特采樣允許在低成本、低功耗條件下達到極高的采樣率。
[0005]文南犬 I (0.Dabeer and A.Karnik，“Signal parameter estimat1n using 1-bitdithered quantizat1n，，，IEEE Transact1ns on Informat1n Theory，vol.52，pp.5389-5405，DeCember 2006.)從統(tǒng)計學(xué)的角度分析了有關(guān)單比特量化的問題^文獻2(E.Masry,uThe reconstruct1n of analog signals from the sign of their noisysamples，，，IEEE Transact1ns on Informat1n Theory,vo1.27,pp.735-745,November1981.)從重建信號和采樣的角度分析了此問題D文獻3(M.Yan，Y.Yang，and S.0sher，“Robust 1-bit compressive sensing using adaptive outlier pursuit，，，IEEETransact1ns on Signal Processing,vo1.60,pp.3868-3875,April 2012.)從壓縮米樣角度分析了單比特量化。文獻4(A.Host_Madsen and P.Handel，“Effects of samplingand quantizat1n on single-tone frequency estimat1n，，，IEEE Transact1ns onSignal Processing ,vol.48，pp.650-662 ,March 2000.)從統(tǒng)計信號處理角度研究了單比特量化。文南犬5(Y.Plan and R.Vershynin，“One-bit compressed sensing by linearprogramming/’Communicat1ns on Pure and Applied Mathematics，vol.66，pp.1275-1297,August 2013.)表明，單比特壓縮采樣獲得的數(shù)據(jù)可以通過優(yōu)化方法用來有效估計信號的部分參數(shù)。然而以上所有這些文獻都是只考慮信號與零值門限比較的情況，這樣做無法得到未知信號幅度向量上的準確信息，信號的波形無法有效重建。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明是為避免上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，克服單比特采樣只與零值門限比較的局限性，在低成本、低功耗的條件下實現(xiàn)高采樣率，達到信號幅度及其它參數(shù)的精確估計和波形信號的有效重建的目的，提供一種基于時變門限的單比特壓縮采樣方法。
[0007]本發(fā)明為解決技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案:
[0008]本發(fā)明基于時變門限的單比特壓縮采樣方法，其特點是采用單比特采樣實現(xiàn)高速采樣，利用設(shè)定的時變門限模式來保證信號幅度及相關(guān)參數(shù)的精確估計和波形信號的有效重建。
[0009]本發(fā)明基于時變門限的單比特壓縮采樣方法，其特點也在于:將輸入信號與時變門限電平信號通過單比特采樣輸出得到采樣信息;所述時變門限電平信號的值以及門限持續(xù)時間由一組偽隨機碼進行控制，依據(jù)偽隨機碼序列，時變門限電平的值以及門限持續(xù)時間能夠通過一組高速開關(guān)予以實現(xiàn)，或是通過低速開關(guān)結(jié)合延時鏈予以實現(xiàn)，或是采用其它方式予以實現(xiàn)。
[0010]本發(fā)明基于時變門限的單比特壓縮采樣方法，其特點也在于:所述單比特采樣是利用單比特量化精度的ADC予以實現(xiàn)，通過減少每個樣本的量化精度到最小值單個比特，利用單個比較器實現(xiàn)高速采樣。
[0011]本發(fā)明基于時變門限的單比特壓縮采樣方法，其特點也在于:所述時變門限模式包括如下變化形式:門限值在最小值和最大值之間無規(guī)則隨機選??；門限值從最小值到最大值呈現(xiàn)梯度變化；門限值從最大值到最小值呈現(xiàn)梯度變化；門限值從大到小周期變化，從小到大周期變化，大小交替周期變化，隨機序列周期變化；門限持續(xù)時間隨機變化；門限值及門限持續(xù)時間自適應(yīng)變化。
[0012]與已有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果體現(xiàn)在:
[0013]1.本發(fā)明易于硬件實現(xiàn)，通過減少每個樣本的量化精度到最小值單個比特，而不是減少每秒中采樣的樣本數(shù)，利用單個比較器實現(xiàn)在低功耗、低成本條件下的高速采樣;若是將信號與時變門限相比較，按照一定的方式改變門限的值，得到的單比特的比較結(jié)果就可以在一定條件下通過多種信號處理方法實現(xiàn)信號幅度及其它參數(shù)的精確估計和波形信號的有效重建；
[0014]2.本發(fā)明方法中時變門限是根據(jù)不同的應(yīng)用需要選擇為不同的變化模式。
[0015]3.本發(fā)明技術(shù)方案有望極大地推動超寬帶雷達探測系統(tǒng)在諸如地雷探測、穿墻探測、農(nóng)作物生長監(jiān)測、睡眠質(zhì)量評估、生命特征監(jiān)測等多個方面的應(yīng)用，并在頻譜感知、大規(guī)模以及毫米波無線通信、毫米波雷達、超寬帶通信、生物醫(yī)學(xué)和智能農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。
【附圖說明】
[0016]圖1是隨機時變門限單比特的壓縮采樣基本原理；
[0017]圖2是門限值在最小值和最大值里面無規(guī)則隨機選??；
[0018]圖3是門限值從最小值到最大值呈現(xiàn)梯度變化；
[0019]圖4是門限值從最大值到最小值呈現(xiàn)梯度變化；
[0020]圖5是門限值周期性變化，從大到小周期變化，從小到大周期變化，大小交替周期變化，隨機序列周期變化；
[0021]圖6是門限持續(xù)時間隨機變化；
【具體實施方式】
[0022]參見圖1，本實施例中基于時變門限的單比特壓縮采樣方法是采用單比特采樣實現(xiàn)高速采樣，利用設(shè)定的時變門限模式來保證信號幅度及相關(guān)參數(shù)的精確估計和波形信號的有效重建。
[0023]如圖1所示，將輸入信號與時變門限電平信號通過單比特采樣輸出得到采樣信息；時變門限電平信號的值以及門限持續(xù)時間由一組偽隨機碼進行控制，依據(jù)偽隨機碼序列，時變門限電平的值以及門限持續(xù)時間能夠通過一組高速開關(guān)予以實現(xiàn)，或是通過低速開關(guān)結(jié)合延時鏈予以實現(xiàn)，或是采用其它方式予以實現(xiàn)。
[0024]具體實施中，單比特采樣是利用單比特量化精度的ADC予以實現(xiàn)，通過減少每個樣本的量化精度到最小值單個比特，利用單個比較器實現(xiàn)在低功耗、低成本條件下的高速采樣;時變門限模式包括如下變化形式:圖2所示的門限值在最小值和最大值之間無規(guī)則隨機選取；圖3所示的門限值從最小值到最大值呈現(xiàn)梯度變化；圖4所示的門限值從最大值到最小值呈現(xiàn)梯度變化；圖5a所示的門限值從大到小周期變化；圖5b所示的門限值從小到大周期變化；圖5c所示的門限值大小交替周期變化；圖5d所示的門限值隨機序列周期變化；圖6所示的門限持續(xù)時間隨機變化;還可以是門限值及門限持續(xù)時間自適應(yīng)變化。
[0025]傳統(tǒng)的單比特采樣，其信號只與零值門限比較，無法得到信號幅度上的信息，因此也無法有效重建信號波形，本發(fā)明通過已知的時變的門限變換，可以得到信號幅度上的信息，從而可以實現(xiàn)信號波形的有效重建。
【主權(quán)項】
1.一種基于時變門限的單比特壓縮采樣方法，其特征是采用單比特采樣實現(xiàn)高速采樣，利用設(shè)定的時變門限模式來保證信號幅度及相關(guān)參數(shù)的精確估計和波形信號的有效重建。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于時變門限的單比特壓縮采樣方法，其特征是:將輸入信號與時變門限電平信號通過單比特采樣輸出得到采樣信息;所述時變門限電平信號的值以及門限持續(xù)時間由一組偽隨機碼進行控制，依據(jù)偽隨機碼序列，時變門限電平的值以及門限持續(xù)時間能夠通過一組高速開關(guān)予以實現(xiàn)，或是通過低速開關(guān)結(jié)合延時鏈予以實現(xiàn)，或是采用其它方式予以實現(xiàn)。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于時變門限的單比特壓縮采樣方法，其特征是:所述單比特采樣是利用單比特量化精度的ADC予以實現(xiàn)，通過減少每個樣本的量化精度到最小值單個比特，利用單個比較器實現(xiàn)高速采樣。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于時變門限的單比特壓縮采樣方法，其特征是:所述時變門限模式包括如下變化形式:門限值在最小值和最大值之間無規(guī)則隨機選取；門限值從最小值到最大值呈現(xiàn)梯度變化；門限值從最大值到最小值呈現(xiàn)梯度變化；門限值從大到小周期變化，從小到大周期變化，大小交替周期變化，隨機序列周期變化；門限持續(xù)時間隨機變化；門限值及門限持續(xù)時間自適應(yīng)變化。
【文檔編號】H03M1/12GK105933006SQ201610483283
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年6月24日
【發(fā)明人】張蓉, 王剛, 孫利國
【申請人】中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)