基于mls序列獲取隨機(jī)解調(diào)系統(tǒng)感知矩陣的信號重構(gòu)方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】基于MLS序列獲取隨機(jī)解調(diào)系統(tǒng)感知矩陣的信號重構(gòu)方法及系統(tǒng)，涉及信號處理領(lǐng)域。它是為了更準(zhǔn)確地獲取隨機(jī)解調(diào)系統(tǒng)的感知矩陣，從而增大信號恢復(fù)時的信噪比，提高現(xiàn)有的信號壓縮感知效果。給系統(tǒng)輸入MLS序列和1V直流作為激勵信號，同時對系統(tǒng)輸出信號和輸入的MLS序列進(jìn)行同步采樣，然后將系統(tǒng)輸出信號對應(yīng)的采樣值向量和MLS序列對應(yīng)的采樣值向量進(jìn)行互相關(guān)，得到它們的互相關(guān)函數(shù)，再計(jì)算MLS序列的自相關(guān)函數(shù)在零時刻的值K，用互相關(guān)函數(shù)除以K得到系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)，再利用此脈沖響應(yīng)和另一路MLS序列獲得觀測矩陣，將觀測矩陣和傅里葉逆變換矩陣相乘獲得需要的感知矩陣。本發(fā)明適用于模擬信號采集、通信、雷達(dá)探測等過程中的信號感知。
【專利說明】基于MLS序列獲取隨機(jī)解調(diào)系統(tǒng)感知矩陣的信號重構(gòu)方法 及系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及信號處理領(lǐng)域，具體涉及一種信號壓縮感知方法及系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 近年來出現(xiàn)的壓縮感知理論表明，在信號具有稀疏性的前提下，可以實(shí)現(xiàn)信號的 同時壓縮與采樣，從而極大地降低采樣率和采樣數(shù)，用遠(yuǎn)低于信號奈奎斯特采樣率的速率 進(jìn)行信號采集，然后通過適當(dāng)?shù)闹貥?gòu)算法恢復(fù)出原信號。隨機(jī)解調(diào)是一種將壓縮感知理論 實(shí)用化的新技術(shù)。一種典型的同步隨機(jī)解調(diào)系統(tǒng)（Synchronized Random Demodulation, SRD)如圖1所示。主要包括如下幾部分：乘法器，低通濾波器，均勻采樣模塊，信號重構(gòu)模 塊，觸發(fā)信號模塊，MLS序列發(fā)生器。信號的處理流程依次為：混頻，低通濾波，均勻采樣，信 號重構(gòu)。隨機(jī)解調(diào)的原理如下。
[0003] 在信號的混頻階段，參與混頻的兩路信號分別為偽隨機(jī)序列（例如，這里所用的 MLS序列）和原信號。根據(jù)信號與系統(tǒng)的知識，兩個信號混頻（即，在時域相乘），在頻域表 現(xiàn)為頻譜的卷積，卷積后的信號帶寬為兩路輸入信號的帶寬之和。由于偽隨機(jī)序列的帶寬 很大，頻譜范圍很廣，所以與原信號相乘后，原信號的頻譜被拓寬，其包含的信息也就被拓 展到整個頻域，此時頻率軸上每一點(diǎn)都含有原信號的全局信息。并且由于偽隨機(jī)序列的參 與，在頻譜拓展時相當(dāng)于對原信號進(jìn)行了編碼，這樣頻率軸上每一點(diǎn)處的信息都具有了獨(dú) 特的標(biāo)識。在低通濾波階段，用一個模擬低通濾波器對混頻之后的信號進(jìn)行低通濾波，濾掉 高頻部分，留下低頻部分。由于低通濾波器的截止頻率較低，所以濾波后信號的帶寬變窄， 這樣就可以用較低的速率對信號進(jìn)行采樣，獲得一系列信號的全局觀測數(shù)據(jù)。最后利用偽 隨機(jī)序列、系統(tǒng)的單位脈沖響應(yīng)對系統(tǒng)建模，即求得系統(tǒng)的感知矩陣，由于感知矩陣與采樣 得到的信號的全局觀測數(shù)據(jù)之間具有特殊的投影關(guān)系，那么借助特定的優(yōu)化算法利用這一 關(guān)系就可以從觀測數(shù)據(jù)中恢復(fù)原信號以及信號的頻譜。
[0004] 獲取隨機(jī)解調(diào)系統(tǒng)的感知矩陣有多種方法，例如通過理論計(jì)算得到系統(tǒng)各部分的 傳遞函數(shù)后整合成系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，然后與偽隨機(jī)序列卷積，之后再和基矩陣相乘得到感 知矩陣。這種方法存在的弊端是，系統(tǒng)各部分的傳遞函數(shù)都是理論計(jì)算得到的，難免與系統(tǒng) 的實(shí)際特性存在偏差，導(dǎo)致計(jì)算得到的系統(tǒng)感知矩陣不夠精確。另外一種方法屬于實(shí)際測 量方法，該方法給系統(tǒng)輸入一系列頻率步進(jìn)的正弦信號，然后采樣得到系統(tǒng)的一系列輸出， 再利用輸出值構(gòu)造感知矩陣，這種方法的弊端是耗時長，時間代價(jià)高。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明是為了提高現(xiàn)有的信號壓縮感知方法的準(zhǔn)確度和信噪比的問題，從而提供 一種基于MLS序列獲取隨機(jī)解調(diào)系統(tǒng)感知矩陣的信號重構(gòu)方法及系統(tǒng)。
[0006] 基于MLS序列獲取隨機(jī)解調(diào)系統(tǒng)感知矩陣的信號重構(gòu)方法，其特征是：由以下步 驟實(shí)現(xiàn)：
[0007] 步驟一、將MLS序列和一個IV的直流信號分別輸入至隨機(jī)解調(diào)系統(tǒng)的兩個信號輸 入端；所述MLS序列和IV的直流信號作為隨機(jī)解調(diào)系統(tǒng)的激勵信號；
[0008] 步驟二、同時對步驟一中的MLS序列和隨機(jī)解調(diào)系統(tǒng)的輸出信號進(jìn)行采樣， 采樣率為fs，采樣時間為t，則采樣數(shù)為N = fsXt，取fs = 100kS/s，t = ls，則N =fsX t = 100000,經(jīng)過采樣獲得兩個采樣值向量X = {x(0)，. . .，X(N-1)}和y = {y(0),. . . , y(N-l)}；
[0009] 步驟三、根據(jù)公式：
[0010]

【權(quán)利要求】
1.基于MLS序列獲取隨機(jī)解調(diào)系統(tǒng)感知矩陣的信號重構(gòu)方法，其特征是：由以下步驟 實(shí)現(xiàn)： 步驟一、將MLS序列和一個IV的直流信號分別輸入至隨機(jī)解調(diào)系統(tǒng)的兩個信號輸入 端；所述MLS序列和IV的直流信號作為隨機(jī)解調(diào)系統(tǒng)的激勵信號； 步驟二、同時對步驟一中的MLS序列和隨機(jī)解調(diào)系統(tǒng)的輸出信號進(jìn)行采樣，采樣率為 fs，采樣時間為 t，則采樣數(shù)為 N = fsXt，取 fs = 100kS/s，t = Is,則 N = fsXt = 100000， 經(jīng)過采樣獲得兩個采樣值向量x = {x (〇)，. . .，x (N-l)}和y = {y (0)，. . .，y (N-l)}; 步驟三、根據(jù)公式：
計(jì)算步驟一中的兩個采樣值向量的互相關(guān)函數(shù)Rxy(m); 步驟四、根據(jù)公式：
獲得采樣值向量X的自相關(guān)函數(shù)Rxx(m);取m = 0時Rxx(0)的值記為K，即：K = Rxx(0); 步驟五、根據(jù)公式：
獲得隨機(jī)解調(diào)系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)h(m); 步驟六、截取步驟五獲得脈沖響應(yīng)h(m)中幅值衰減到幾乎為零之前的部分； 步驟七、定義一個Μ行N列的全零矩陣H，將h (m)的前C個元素倒序排列后，替換掉矩 陣Η的第一行的前C個零元素；然后將h(m)前2XC個元素倒序排列，替換掉矩陣Η的第二 行的前2XC個零元素；以此類推，將h(m)前iXC個元素倒序排列，替換掉矩陣Η的第i行 的前iXC個零元素；如果在第j行時，h(m)的總元素個數(shù)Μ小于jXC，則給h(m)補(bǔ)零，如 公式所示：
其中，Μ和C均為正整數(shù)，且M、C和N滿足如下關(guān)系：N = MXC ; 步驟八、調(diào)整隨機(jī)解調(diào)系統(tǒng)參數(shù)為實(shí)際進(jìn)行信號壓縮感知時所用的參數(shù)，輸出另一個 MLS序列，記錄時間t內(nèi)的N個值，即：{p(0), p(l),…，p(N-l)}; 然后根據(jù)公式：
獲得矩陣p ; 步驟九、根據(jù)計(jì)算公式 Φ = HP 獲得觀測矩陣Φ ; 步驟十、根據(jù)公式：
獲得傅里葉逆變換矩陣Ψ ; 步驟十一、根據(jù)公式： Θ = Φ Ψ 獲得感知矩陣? ;進(jìn)而根據(jù)壓縮感知理論，對信號進(jìn)行重構(gòu)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于MLS序列獲取隨機(jī)解調(diào)系統(tǒng)感知矩陣的信號重構(gòu)方法， 其特征在于步驟一中的MLS序列的階數(shù)η = 0,種子seed = 1，跳變頻率fmls = 100kS/s。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于MLS序列獲取隨機(jī)解調(diào)系統(tǒng)感知矩陣的信號重構(gòu)方法， 其特征在于步驟六中的實(shí)際被測信號的采樣率為fx = 1/C · fs。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于MLS序列獲取隨機(jī)解調(diào)系統(tǒng)感知矩陣的信號重構(gòu)方法， 其特征在于C = 25, Μ = 4000。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于MLS序列獲取隨機(jī)解調(diào)系統(tǒng)感知矩陣的信號重構(gòu)方法， 其特征在于步驟六中截取脈沖響應(yīng)h (m)的前l(fā)ms對應(yīng)的部分，S卩：前100個值。
6. 基于MLS序列獲取隨機(jī)解調(diào)系統(tǒng)感知矩陣的信號重構(gòu)系統(tǒng)，其特征是：它包括觸發(fā) 信號模塊、MLS序列發(fā)生器、信號處理單元、同步采樣單元和上位機(jī)； 所述觸發(fā)信號模塊的觸發(fā)信號輸出端同時與MLS序列發(fā)生器的上升沿觸發(fā)信號輸入 端與同步采樣單元的下降沿觸發(fā)信號輸出端連接； 所述MLS序列發(fā)生器的MLS序列輸出端同時與信號處理單元的MLS序列輸入端和同步 采樣單元的MLS序列輸入端連接； 所述同步采樣單元的采樣信號輸出端與上位機(jī)的采樣信號輸入端連接； 所述信號處理單元包括乘法器、濾波器和信號調(diào)理單元；所述乘法器的一號輸入端是 MLS序列的輸入端；乘法器的二號輸入端是直流信號輸入端； 乘法器的信號輸出端與濾波器的信號輸入端連接；濾波器的信號輸出端與信號調(diào)理單 元的信號輸入端連接；信號調(diào)理電路是信號處理電路的輸出端； 上位機(jī)用于對輸入的采樣數(shù)據(jù)計(jì)算脈沖響應(yīng)，并將該脈沖響應(yīng)與MLS序列做卷積，并 根據(jù)獲得的卷積構(gòu)造感知矩陣，并輸出。
【文檔編號】H03M13/15GK104104394SQ201410264715
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年6月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月13日
【發(fā)明者】付寧, 鄧立寶, 張京超, 宋平凡, 喬立巖 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)