本發(fā)明涉及在低采樣率下的多帶信號恢復(fù)系統(tǒng)的動態(tài)校準(zhǔn)方法，屬于硬件動態(tài)校準(zhǔn)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

分布式調(diào)制寬帶轉(zhuǎn)換器(dmwc)是在調(diào)制寬帶轉(zhuǎn)換器(mwc)的基礎(chǔ)上，將一個傳感器節(jié)點視為一個采樣信道，將mwc技術(shù)與寬帶協(xié)作頻譜感知網(wǎng)絡(luò)完美結(jié)合，利用感知節(jié)點的空間多樣性來提高感知性能的欠采樣系統(tǒng)。dmwc由于存在大量分布式傳感節(jié)點的優(yōu)勢，可以不需要進行通道擴展（q=1）最大限度地降低了單虛擬通道的采樣率。

在mwc理論中，信號支撐集恢復(fù)部分，由偽隨機序列的傅里葉級數(shù)組成的測量矩陣必須與實際系統(tǒng)精確匹配，否則將嚴重降低信號支撐集恢復(fù)的精度。在mwc實際研制電路中，受到模擬器件的影響，比如混頻器引進的非線性輸出、低通濾波器的非理想頻率響應(yīng)、電路功放的不均衡，相位噪聲和抖動等因素，理論計算的感知矩陣將不再能夠精確地描述實際欠采樣系統(tǒng)的傳輸函數(shù)。這時系統(tǒng)將理論得到的感知矩陣用于實際硬件系統(tǒng)的恢復(fù)，不再能得到正確的支撐集，即將導(dǎo)致多頻帶信號重構(gòu)失敗。

同理，在dmwc中，由于分布式地理位置引進的傳輸衰減因數(shù)，本身造成了測量矩陣任意兩個列向量的非相關(guān)性的削弱，這種非相關(guān)性的削弱將直接導(dǎo)致不能準(zhǔn)確恢復(fù)多頻帶信號的支撐集。其次，dmwc在恢復(fù)信號支撐集部分理論上應(yīng)該向mwc靠近，所以也存在實際電路中器件的非理想響應(yīng)的影響。再者，dmwc的分布式結(jié)構(gòu)中不可避免會有某些節(jié)點失效或者受到外力干擾導(dǎo)致原系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。這些因素將導(dǎo)致硬件系統(tǒng)真實的感知矩陣同理論方法計算出的感知矩陣有很大不同，以致重構(gòu)失敗。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了實現(xiàn)分布式調(diào)制寬帶轉(zhuǎn)換器的測量矩陣動態(tài)校準(zhǔn)，提出了一種用于分布式調(diào)制寬帶轉(zhuǎn)換器的測量矩陣動態(tài)校準(zhǔn)方法。為滿足dmwc系統(tǒng)的要求，首先將相等頻率間隔的標(biāo)準(zhǔn)正弦信號送入系統(tǒng)；然后將得到的樣本序列與其已知的支撐集作為已知條件，計算相應(yīng)的系統(tǒng)傳輸函數(shù)；最后保存得到的傳輸函數(shù)，作為原恢復(fù)程序中的感知矩陣用于信號重構(gòu)。與現(xiàn)有的mwc恢復(fù)方法相比較本發(fā)明滿足dmwc系統(tǒng)條件的同時，不僅降低了多頻帶信號的采樣率，實現(xiàn)多頻帶信號檢測的目的，而且提高了實際系統(tǒng)的恢復(fù)率，使實際硬件系統(tǒng)更容易實現(xiàn)。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：欠采樣率下用于分布式調(diào)制寬帶轉(zhuǎn)換器的測量矩陣動態(tài)校準(zhǔn)方法，其特征在于以下3個大步驟：1）分布式節(jié)點依據(jù)自己的距離大小，預(yù)估計所處地理位置的snr水平，自動地調(diào)節(jié)自己的接收snr和發(fā)射功率；2）融合中心預(yù)估計各個節(jié)點的傳輸衰減大小；3）將相等頻率間隔的預(yù)估計的正弦信號送入系統(tǒng)，對欠采樣下采集得到的樣本序列與其已知的支撐集作為已知條件，計算相應(yīng)的系統(tǒng)傳輸函數(shù)并保存，將該傳輸函數(shù)作為原恢復(fù)程序中的感知矩陣用于信號重構(gòu)。4）融合中心定期主動探測各節(jié)點的工作情況，做出是否使用某節(jié)點傳回的數(shù)據(jù)的決定。5）融合中心定期對整個系統(tǒng)進行重新排列與校準(zhǔn)。6）各個節(jié)點定期探測自己的環(huán)境參數(shù)，如果發(fā)生變化則向融合中心報告，融合中心根據(jù)參數(shù)變化的大小，以及有多少參數(shù)發(fā)生了變化，選擇對發(fā)出報告的單個節(jié)點或者多個節(jié)點進行重新排列與校準(zhǔn)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明基于分布式調(diào)制寬帶轉(zhuǎn)換器的測量矩陣校準(zhǔn)方法的系統(tǒng)原理圖。

圖2是輸入正弦信號時的頻譜分量示意圖。

圖3是校準(zhǔn)原理示意圖。

圖4是分布式調(diào)制寬帶轉(zhuǎn)換器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施方式對本發(fā)明做進一步的詳細說明：

1.融合中心自動地調(diào)節(jié)自己的接收snr和接收功率

分布式調(diào)制寬帶轉(zhuǎn)換器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖4所示，分布式節(jié)點依據(jù)自己的距離大小，預(yù)估計所處地理位置的snr水平，在與融合中心的第一次握手通信中，向融合中心傳輸自己的預(yù)估計snr和發(fā)射功率。融合中心接收到此信息后，在第二次握手通信開始之前自動調(diào)節(jié)自己的接收snr和接收功率，與節(jié)點的預(yù)估計值相匹配；

2.融合中心預(yù)估計各個節(jié)點的傳輸衰減

依據(jù)自由空間傳輸模型，已知傳感節(jié)點到融合中心的距離，預(yù)估計各個節(jié)點的傳輸衰減大小，保存此數(shù)據(jù)，并在恢復(fù)端軟件校準(zhǔn)節(jié)點之間的功率平衡；

3.用于分布式調(diào)制寬帶轉(zhuǎn)換器的測量矩陣校準(zhǔn)方法的數(shù)學(xué)原理

對于簡單系統(tǒng)，可以通過測量系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)來獲取系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。但是dmwc系統(tǒng)是非線性、非時不變的，即不可能通過簡單的測量系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)而得到系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。這里提出的測量矩陣校準(zhǔn)方法，以一簇正弦信號作為輸入信號，以獲得系統(tǒng)在不同分割頻帶內(nèi)的響應(yīng)。從而計算出系統(tǒng)的感知矩陣a，

若dmwc的參數(shù)滿足定理：

（1）

（2）混頻序列一個周期內(nèi)的值得個數(shù)

（3）傳感器節(jié)點數(shù)

（4）感知矩陣a的任意2n列線性無關(guān)

通過mwc相應(yīng)定理可知，當(dāng)時，的非零元素不超過n個。若輸入信號為正弦信號，即n=2（包括負頻率），則中可以只存在兩個正負對稱的非零元素，非零元素在的正半部分位置為l，且已知，如圖2所示

假如dmwc系統(tǒng)有m個感知節(jié)點，并且滿足以上定理，以實際dmwc系統(tǒng)的第i個節(jié)點為例，對系統(tǒng)輸入以下正弦信號

（1）

即在位置為l處存在一個非零分量。對于和為信號幅度和相位，但初始頻率必須滿足。對公式（1）進行dtft變換可得

（2）

其中，當(dāng)時，可得下式：

（3）

那么經(jīng)adc采樣后的輸出序列可以表示為：

（4）

變換到時域后可如下式所示

（5）

實際中，輸出信號是包含噪聲的正弦信號，所以需要正弦估計算法來獲得精確的。將輸出信號用下式表示：

（6）

其中：為信號幅值，為信號的相位，為信號的角頻率。則由式（4）可知

（7）

用矩陣優(yōu)化方法解出b、d的值：

由于相位對y的關(guān)系是非線性的，我們將式（6）轉(zhuǎn)變成

（8）

式中：，

所以對于相位和幅值的求解就可以替換為對參數(shù)b、d的求解。分別在時低速采集輸出信號，其中r表示采樣點數(shù)，獲取序列后，就可基于式（8），采取相應(yīng)算法算出b、d

但是實際dmwc中輸出信號不可避免的具有噪聲，所以實際采集的輸出信號可由下式表示

（9）

其中即為噪聲。則此時首先需解決的問題就是如何從輸出信號中擬合出有效信號。本文利用最小二乘擬合法來實現(xiàn)上述問題的求取，下式為誤差目標(biāo)函數(shù)：

（10）

該算法的目的就是求取出當(dāng)b，d為何值時，上式設(shè)定的誤差達到最小值。易知，當(dāng)式（10）中的b，d的一階偏導(dǎo)方程為零時，該誤差存在極值，即：

（11）

（12）

解上面兩個式子可以得到b，d的值為：

（13）

式中，，，，，；

顯然，只有矩陣可逆時，才能求得參數(shù)。一般來說，當(dāng)采樣點數(shù)足夠多時，該矩陣就能夠保證具有可逆性

求取出b、d后，即可求出幅值與相位，帶入式（7）即可求出。由于周期序列為實數(shù)，所以其相應(yīng)的傅里葉變換系數(shù)滿足。校準(zhǔn)原理如圖3所示，對上述過程進行次循環(huán)后，就能夠獲得完整的感知矩陣；

4.融合中心定期主動探測各節(jié)點的工作情況，做出是否使用某節(jié)點傳回的數(shù)據(jù)的決定

融合中心定期主動探測各節(jié)點的工作情況：節(jié)點是否在規(guī)定區(qū)域、是否電量充足、是否被攻擊或截獲等。根據(jù)以上數(shù)據(jù)得出各節(jié)點的工作情況，如果正常工作且節(jié)點得到的數(shù)據(jù)的可信度大，則使用該節(jié)點傳回的數(shù)據(jù)；如果節(jié)點不能正常工作或者節(jié)點得到的數(shù)據(jù)可信度不大，則丟棄該節(jié)點傳回的數(shù)據(jù)；

5.融合中心定期對整個系統(tǒng)進行重新排列與校準(zhǔn)

融合中心定期啟動1和2所描述的預(yù)估計機制，對整個系統(tǒng)重新執(zhí)行3所描述的校準(zhǔn)機制；

6.各節(jié)點主動向融合中心報告自己的環(huán)境參數(shù)

各個節(jié)點定期探測自己的環(huán)境參數(shù)：電量、所處位置的溫濕度、距離融合中心的距離等，如果發(fā)生變化則向融合中心報告，融合中心根據(jù)參數(shù)變化的大小，以及有多少參數(shù)發(fā)生了變化，選擇對發(fā)出報告的單個節(jié)點或者多個節(jié)點啟動1和2所描述的預(yù)估計機制，對這些節(jié)點重新執(zhí)行3所描述的校準(zhǔn)機制。