專利名稱：基于壓縮感知的稀疏信號欠采樣方法及實現(xiàn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種稀疏信號欠采樣方法及實現(xiàn)裝置。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的信息采樣過程必須遵循奈奎斯特采樣定理，即采樣速率至少要大于原信號最高頻率的2倍，這樣才能從采樣得到的離散數(shù)據(jù)中不失真地恢復(fù)出原始信號。然而隨著信息技術(shù)的發(fā)展，以奈奎斯特采樣定理為基礎(chǔ)的信號處理框架對前端ADC的采樣速率和處理速度提出更高的要求，也給后端信息的傳輸、存儲等環(huán)節(jié)帶來巨大壓力。解決這些壓力常見的方案是信號壓縮，但是，這種先采樣后壓縮的方法并沒有減小前端ADC的壓力，而且信號壓縮意味著采樣過程中有大量的冗余信息，浪費了大量的傳感元、時間和存儲空間等資源。2004 年由 CandSs 和 Donoho 等人提出了壓縮感知理論(Compressive Sensing,CS)。該理論能夠?qū)⑿盘?壓縮和采樣合并進(jìn)行，即在信號獲取的同時，就對數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)貕嚎s，當(dāng)信號具有稀疏性時就可以顯著降低信號采樣率。在信號具有稀疏性的前提下，可以用一個與正交基矩陣Ψ不相關(guān)的觀測矩陣Φ:MXN(M □ N)(這里Φ的每一行可以看作是一個傳感器，它與系數(shù)相乘，獲取了信號的部分信息)，對信號X執(zhí)行壓縮觀測:y = Φχ(I)就可以得到M個線性觀測值(投影)y eDM。這些少量線性投影中則包含了重構(gòu)信號X的足夠信息。然后通過特殊的算法從觀測值y中得到原信號的重構(gòu)信號i。頻域稀疏信號具有頻譜稀疏的特性，即在頻域上是稀疏的，這樣正交基矩陣Ψ就可以取傅里葉變換矩陣。設(shè)x(t)是一模擬信號，對它進(jìn)行傅里葉變換，即把它用NX I維的傅里葉變換基向的線性組合來表示。則x(t)可以展開為:
權(quán)利要求
1.基于壓縮感知的稀疏信號欠采樣方法，其特征是:它由以下步驟實現(xiàn): 步驟一、采用嵌入在FPGA中m序列發(fā)生器產(chǎn)生m序列；并采用FPGA同步產(chǎn)生觸發(fā)信號; 步驟二、將步驟一產(chǎn)生的m序列采用信號調(diào)理電路進(jìn)行信號調(diào)理，獲得調(diào)理后的m序列； 步驟三、將步驟二獲得的調(diào)理后m序列與被測稀疏信號采用乘法器進(jìn)行混頻，獲得混頻信號； 步驟四、采用低通濾波器對步驟三獲得的混頻信號進(jìn)行低通濾波，獲得低通濾波后信號; 步驟五、采用步驟一中產(chǎn)生觸發(fā)信號觸發(fā)采樣電路，并采用采樣電路對步驟四獲得的低通濾波后信號進(jìn)行采樣，獲得采樣結(jié)果； 步驟六、采用上位機(jī)對步驟五獲得的采樣結(jié)果進(jìn)行信號重構(gòu)，獲得原始被測稀疏信號的重構(gòu)結(jié)果。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于壓縮感知的稀疏信號欠采樣方法，其特征在于步驟六中所述的采用上位機(jī)對步驟五獲得的采樣結(jié)果進(jìn)行信號重構(gòu)的具體方法是: 步驟A、根據(jù)公式:H(s) = H1 (s)G(s) 獲得混頻到采樣之間的傳遞函數(shù)H(S)； 式中=H1(S)為低通濾波器的傳遞函數(shù)，所述低通濾波器為二階巴特沃斯模擬低通濾波器； G(S)為混頻到采樣之間各級運算放大電路傳遞函數(shù)的連乘積； H1(S)是根據(jù)公式:
3.權(quán)利要求1所述的基于壓縮感知的稀疏信號欠采樣方法的實現(xiàn)裝置，其特征是:它包括FPGA(15)、調(diào)理電路(16 )、乘法器(11)、低通濾波器(12)、采樣電路(13)和上位機(jī)(14)； 所述FPGA(15)內(nèi)嵌有m序列發(fā)生器，所述m序列發(fā)生器用于產(chǎn)生m序列； 所述FPGA(15)的m序列輸出端與信號調(diào)理電路(16)的信號輸入端連接；所述信號調(diào)理電路(16)的信號輸出端與乘法器(11)的一號信號輸入端連接；所述乘法器(11)的二號信號輸入端用于接收被測稀疏信號；所述乘法器(11)的信號輸出端與低通濾波器(12)的信號輸入端連接；所述低通濾波器(12)的信號輸出端與采樣電路(13)的信號輸入端連接；所述采樣電路(13)的信號輸出端與上位機(jī)(14)的信號輸入端連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于壓縮感知的稀疏信號欠采樣方法的實現(xiàn)裝置，其特征在于 FPGA (15)的型號為 EP2C8Q208。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于壓縮感知的稀疏信號欠采樣方法的實現(xiàn)裝置，其特征在于乘法器(11)采用型號為AD633的芯片實現(xiàn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于壓縮感知的稀疏信號欠采樣方法的實現(xiàn)裝置，其特征在于低通濾波器(12)為采用型號為MAX275的芯片搭建的二階巴特沃斯模擬低通濾波器。
全文摘要
基于壓縮感知的稀疏信號欠采樣方法及實現(xiàn)裝置，涉及一種稀疏信號欠采樣方法及實現(xiàn)裝置。它是為了在保證信號恢復(fù)效果的情況下降低頻域稀疏信號采樣率。本發(fā)明采用FPGA產(chǎn)生觸發(fā)信號和m序列，m序列調(diào)理后與被測稀疏信號混頻，并經(jīng)過低通濾波器濾波。數(shù)據(jù)采樣模塊檢測到觸發(fā)信號后對濾波后信號進(jìn)行采樣，存儲采樣數(shù)據(jù)。在信號重構(gòu)時，需要先求得系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，以及和采樣數(shù)據(jù)對應(yīng)的m序列，然后應(yīng)用OMP信號重構(gòu)算法恢復(fù)出原信號。本發(fā)明適用于頻域稀疏模擬信號的欠采樣。
文檔編號H03M1/12GK103178853SQ20131009220
公開日2013年6月26日 申請日期2013年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月21日
發(fā)明者張京超, 付寧, 喬立巖, 宋平凡 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)