專(zhuān)利名稱(chēng)：一種脈沖超寬帶系統(tǒng)正交稀疏字典的產(chǎn)生系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種脈沖超寬帶系統(tǒng)正交稀疏字典的產(chǎn)生系統(tǒng)及方法，屬于寬帶無(wú)線通信技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
信號(hào)采樣是連接模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)的橋梁。為了能夠精確重構(gòu)原信號(hào)，傳統(tǒng)意義上的信號(hào)采樣必須滿(mǎn)足奈奎斯特采樣定理，即采樣速率要等于或大于信號(hào)最大截止頻率的2倍。隨著科技的進(jìn)步，人們對(duì)信息的需求越來(lái)越多，信號(hào)帶寬也越來(lái)越高，以奈奎斯特采樣定理為基礎(chǔ)的信號(hào)處理框架要求的采樣速率和處理速度也越來(lái)越高。因此，寬帶信號(hào)的奈奎斯特速率采樣成為制約寬帶系統(tǒng)發(fā)展的難題。一方面，高的采樣速率不利于系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)，例如超寬帶信號(hào)帶寬可達(dá)幾個(gè)吉赫茲(GHz)，根據(jù)奈奎斯特采樣定理，采樣率高達(dá)數(shù)十吉赫茲，現(xiàn)有的硬件技術(shù)水平難以實(shí)現(xiàn)；另一方面，高速率的數(shù)據(jù)采樣對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理和傳輸造成了巨大的壓力。近年來(lái)，一種新的信號(hào)處理理論一“壓縮感知”，引起了研究人員的極大關(guān)注，為解決目前所面臨的問(wèn)題帶來(lái)了希望。
壓縮感知理論與傳統(tǒng)奈奎斯特采樣定理不同，在該理論框架下，對(duì)于某個(gè)寬帶信號(hào)，只要它具有稀疏性或者是可壓縮的，那么就可以采用一個(gè)隨機(jī)觀測(cè)矩陣將該信號(hào)投影的一個(gè)低維的空間上，得到遠(yuǎn)低于奈奎斯特速率的觀測(cè)序列(即采樣序列)。通過(guò)基追蹤算法(BP:Basic Pursuit Algorithm)、匹配追蹤算法(MP:Matching Pursuit Algorithm)、正交匹配追蹤算法(OMP:0rthogonal Matching Pursuit Algorithm)等重構(gòu)算法,可以從低速觀測(cè)序列中高概率地重構(gòu)或逼近原始信號(hào)。另外，信號(hào)重構(gòu)時(shí)需要一個(gè)與該寬帶信號(hào)匹配的稀疏字典。信號(hào)在該字典上的稀疏 度(信號(hào)在稀疏字典上投影，投影系數(shù)向量中起主導(dǎo)作用的元素個(gè)數(shù)，即稀疏度)越小，信號(hào)重構(gòu)時(shí)所需的觀測(cè)矩陣規(guī)模和信號(hào)重構(gòu)復(fù)雜度也越小。附

圖1給出了基于壓縮感知理論的信號(hào)采樣與重構(gòu)系統(tǒng)框圖。
脈沖超寬帶(IR-UWB:1mpulse radio ultra-wideband)技術(shù)是無(wú)線通信領(lǐng)域中一個(gè)新的發(fā)展方向，可以用于無(wú)線個(gè)域網(wǎng)(WPAN:wireless personal area network)、無(wú)線體域網(wǎng)(WBAN:wireless body area network)等近距離無(wú)線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò),也可用于雷達(dá)測(cè)距、雷達(dá)成像等系統(tǒng)。為了進(jìn)行脈沖超寬帶信號(hào)的數(shù)字域處理與檢測(cè)，必須首先實(shí)現(xiàn)采樣與數(shù)字化。由于超寬帶信號(hào)帶寬高達(dá)數(shù)吉赫茲量級(jí)，對(duì)其實(shí)施奈奎斯特速率采樣需要極高的采樣率，目前采樣電路技術(shù)水平難以滿(mǎn)足要求。為了解決脈沖超寬帶信號(hào)數(shù)字化過(guò)程中所面對(duì)的難題，研究人員提出將壓縮感知理論應(yīng)用于脈沖超寬帶系統(tǒng)之中。針對(duì)脈沖超寬帶系統(tǒng)，已提出兩種典型的稀疏字典，一種基于時(shí)域稀疏模型，另一種基于多徑分集模型。實(shí)踐證明，在超寬帶信道環(huán)境中，利用這兩種稀疏字典對(duì)脈沖超寬帶信號(hào)進(jìn)行分解時(shí)，稀疏度仍然很大，這不利于降低采樣速率，也不利于降低信號(hào)重構(gòu)的復(fù)雜度。發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供一種脈沖超寬帶系統(tǒng)正交稀疏字典的產(chǎn)生系統(tǒng)及方法，利用所述系統(tǒng)和方法產(chǎn)生的稀疏字典對(duì)脈沖超寬帶信號(hào)進(jìn)行分解時(shí)，大大降低信號(hào)稀疏度，采用該稀疏字典對(duì)超寬帶信號(hào)進(jìn)行壓縮采樣和重構(gòu)時(shí)，有效地降低壓縮采樣率和信號(hào)重構(gòu)復(fù)雜度。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
一種脈沖超寬帶系統(tǒng)正交稀疏字典的產(chǎn)生系統(tǒng)，它包括
超寬帶發(fā)射機(jī)模塊:周期性的發(fā)送未經(jīng)調(diào)制的超寬帶單脈沖信號(hào)波形，這些波形經(jīng)無(wú)線信道傳輸后到達(dá)接收端；
超寬帶天線模塊:接收來(lái)自無(wú)線信道的脈沖超寬帶信號(hào)，并將該脈沖信號(hào)送入接收濾波器模塊；
接收濾波器模塊:對(duì)脈沖超寬帶信號(hào)濾除帶外噪聲和干擾；
模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊:對(duì)濾除噪聲后的超寬帶信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換后的超寬帶數(shù)字信號(hào)送往存儲(chǔ)器模塊；
存儲(chǔ)器模塊:用于存儲(chǔ)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后的各離散脈沖超寬帶信號(hào)，并將存儲(chǔ)的信號(hào)分別送往統(tǒng)計(jì)均值波形向量產(chǎn)生模塊和協(xié)方差矩陣產(chǎn)生模塊；
統(tǒng)計(jì)均值波形向量產(chǎn)生模塊:其對(duì)所有的接收信號(hào)樣本求和取平均，估計(jì)接收信號(hào)的統(tǒng)計(jì)平均波形向量，并將其送往協(xié)方差矩陣產(chǎn)生模塊；
協(xié)方差矩陣產(chǎn)生模塊:其根據(jù)接收信號(hào)樣本和信號(hào)統(tǒng)計(jì)平均波形向量，估計(jì)接收信號(hào)協(xié)方差矩陣，并將其送往特征值分解模塊；
特征值分解模塊:對(duì)所述協(xié)方差矩陣產(chǎn)生模塊產(chǎn)生的協(xié)方差矩陣進(jìn)行特征值分解，并將分解產(chǎn)生的特征向量送往稀疏字典產(chǎn)生模塊；
稀疏字典產(chǎn)生模塊:根據(jù)所述特征值分解模塊對(duì)特征值分解的結(jié)果，按照對(duì)應(yīng)特征值由大到小的順序?qū)a(chǎn)生的特征向量組合起來(lái)，構(gòu)成稀疏字典，另外，也可只取對(duì)應(yīng)于較大特征值的少量特征向量構(gòu)成欠完備的稀疏字典。
一種基于脈沖超寬帶系統(tǒng)正交稀疏字典的產(chǎn)生系統(tǒng)的產(chǎn)生方法，具體步驟為:
步驟一:超寬帶發(fā)射機(jī)模塊周期性的發(fā)送未經(jīng)調(diào)制的超寬帶單脈沖信號(hào)波形，這些信號(hào)波形經(jīng)過(guò)無(wú)線信道傳輸后到達(dá)接收端，接收機(jī)通過(guò)超寬帶天線模塊、接收濾波器模塊和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，獲取大量的離散接收信號(hào)樣本，并將其存入存儲(chǔ)器模塊中；
步驟二:統(tǒng)計(jì)均值波形向量產(chǎn)生模塊對(duì)離散接收信號(hào)樣本集合求算術(shù)平均，獲得接收信號(hào)的統(tǒng)計(jì)平均波形 向量；
步驟三:協(xié)方差矩陣產(chǎn)生模塊利用離散接收信號(hào)樣本集合和接收信號(hào)的統(tǒng)計(jì)平均波形向量估計(jì)接收信號(hào)的協(xié)方差矩陣；
步驟四:特征值分解模塊對(duì)步驟三獲得的協(xié)方差矩陣進(jìn)行特征值分解，稀疏字典產(chǎn)生模塊將特征值分解產(chǎn)生的特征向量組合構(gòu)成稀疏字典。
所述步驟一的具體步驟為:由于超寬帶信道的隨機(jī)特性，超寬帶發(fā)射機(jī)發(fā)射的單脈沖信號(hào)波形經(jīng)無(wú)線信道傳輸?shù)竭_(dá)接收端后是一個(gè)多維的隨機(jī)波形，接收端通過(guò)接收機(jī)天線模塊、接收濾波器模塊和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，獲取大量的離散接收信號(hào)樣本；假設(shè)離散接收信號(hào)樣本集合為Ix1, x2，x3，...，XM}，其中，M為樣本數(shù)目，Xi表示第i個(gè)接收信號(hào)樣本，為一個(gè)N維的列向量，其中i = 1,2，...，M。
所述步驟二的具體步驟為:對(duì)獲得的信號(hào)樣本集合Ix1, X2, X3, , xM}求算術(shù)平均，獲得接收信號(hào)平均波形向量，即
權(quán)利要求
1.一種脈沖超寬帶系統(tǒng)正交稀疏字典的產(chǎn)生系統(tǒng)，其特征是，它包括 超寬帶發(fā)射機(jī)模塊:周期性的發(fā)送未經(jīng)調(diào)制的超寬帶單脈沖信號(hào)波形，這些波形經(jīng)無(wú)線信道傳輸后到達(dá)接收端； 超寬帶天線模塊:接收來(lái)自無(wú)線信道的脈沖超寬帶信號(hào)，并將該脈沖信號(hào)送入接收濾波器模塊； 接收濾波器模塊:對(duì)脈沖超寬帶信號(hào)濾除帶外噪聲和干擾； 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊:對(duì)濾除噪聲后的超寬帶信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換后的超寬帶數(shù)字信號(hào)送往存儲(chǔ)器模塊； 存儲(chǔ)器模塊:用于存儲(chǔ)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后的各離散脈沖超寬帶信號(hào)，并將存儲(chǔ)的信號(hào)分別送往統(tǒng)計(jì)均值波形向量產(chǎn)生模塊和協(xié)方差矩陣產(chǎn)生模塊； 統(tǒng)計(jì)均值波形向量產(chǎn)生模塊:其對(duì)所有的接收信號(hào)樣本求和取平均，估計(jì)接收信號(hào)的統(tǒng)計(jì)平均波形向量，并將其送往協(xié)方差矩陣產(chǎn)生模塊； 協(xié)方差矩陣產(chǎn)生模塊:其根據(jù)接收信號(hào)樣本和信號(hào)統(tǒng)計(jì)平均波形向量，估計(jì)接收信號(hào)協(xié)方差矩陣，并將其送往特征值分解模塊； 特征值分解模塊:對(duì)所述協(xié)方差矩陣產(chǎn)生模塊產(chǎn)生的協(xié)方差矩陣進(jìn)行特征值分解，并將分解產(chǎn)生的特征向量送往稀疏字典產(chǎn)生模塊； 稀疏字典產(chǎn)生模塊:根據(jù)所述特征值分解模塊對(duì)特征值分解的結(jié)果，按照特征值由大到小的順序?qū)a(chǎn)生的特征向量組合起來(lái)，構(gòu)成稀疏字典。
2.一種基于權(quán)利要求1所述的脈沖超寬帶系統(tǒng)正交稀疏字典的產(chǎn)生系統(tǒng)的產(chǎn)生方法，其特征是，具體步驟為: 步驟一:超寬帶發(fā)射機(jī)模塊周期性的發(fā)送未經(jīng)調(diào)制的超寬帶單脈沖信號(hào)波形，這些信號(hào)波形經(jīng)過(guò)無(wú)線信道傳輸后到達(dá)接收端，接收機(jī)通過(guò)超寬帶天線模塊、接收濾波器模塊和模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊，獲取大量的離散接收信號(hào)樣本，并將其存入存儲(chǔ)器模塊中； 步驟二:統(tǒng)計(jì)均值波形向量產(chǎn)生模塊對(duì)離散接收信號(hào)樣本集合求算術(shù)平均，獲得接收信號(hào)的統(tǒng)計(jì)平均波形向量； 步驟三:協(xié)方差矩陣 產(chǎn)生模塊利用離散接收信號(hào)樣本集合和接收信號(hào)統(tǒng)計(jì)平均波形向量估計(jì)接收信號(hào)的協(xié)方差矩陣； 步驟四:特征值分解模塊對(duì)步驟三獲得的協(xié)方差矩陣進(jìn)行特征值分解，稀疏字典產(chǎn)生模塊將特征值分解產(chǎn)生的特征向量組合構(gòu)成稀疏字典。
3.如權(quán)利要求2所述脈沖超寬帶系統(tǒng)正交稀疏字典的產(chǎn)生方法，其特征是，所述步驟一的具體步驟為:超寬帶發(fā)射機(jī)周期性發(fā)射的單脈沖信號(hào)波形經(jīng)無(wú)線信道傳輸?shù)竭_(dá)接收端，接收端通過(guò)超寬帶天線模塊、接收濾波器模塊和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，獲取大量的離散接收信號(hào)樣本；設(shè)離散接收信號(hào)樣本集合為(Xl，x2，x3，...，XM}，其中，M為樣本數(shù)目，Xi表示第i個(gè)接收信號(hào)樣本，為一個(gè)N維的列向量，其中i=l，2，...，M。
4.如權(quán)利要求2所述脈沖超寬帶系統(tǒng)正交稀疏字典的產(chǎn)生方法，其特征是，所述步驟二的具體步驟為:對(duì)獲得的信號(hào)樣本集合Ix1, x2, X3,, xM}求算術(shù)平均，獲得接收信號(hào)平均波形向量，即x二去乏，Xi, i=l，2，3...M均為列向量，M為樣本數(shù)目。
5.如權(quán)利要求2所述脈沖超寬帶系統(tǒng)正交稀疏字典的產(chǎn)生方法，其特征是，所述步驟三的具體步驟為:根據(jù)獲得的信號(hào)樣本集合Ix1, x2，X3,...，XM}和接收信號(hào)統(tǒng)計(jì)平均向量i，通過(guò)統(tǒng)計(jì)的方法估計(jì)接收信號(hào)的協(xié)方差矩陣R，即:
6.如權(quán)利要求2所述脈沖超寬帶系統(tǒng)正交稀疏字典的產(chǎn)生方法，其特征是，所述步驟四的具體步驟為:對(duì)獲得的協(xié)方差矩陣R進(jìn)行特征值分解，設(shè)X1,入2，X3，...，Xn，為其特征值，且≥A2≥ A3≥...≥AN；Ul,U2, U3, , Un為不同特征值對(duì)應(yīng)的特征向量，則稀疏字典W表示為: V = Iiu1, U2, U3, , Un] 其中U1, U2，U3,...，Un均為N維列向量，且相互正交即:
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種脈沖超寬帶系統(tǒng)正交稀疏字典的產(chǎn)生系統(tǒng)及產(chǎn)生方法，超寬帶發(fā)射機(jī)周期性的發(fā)射一系列未經(jīng)調(diào)制的超寬帶單脈沖信號(hào)波形，超寬帶天線模塊接收來(lái)自無(wú)線信道的脈沖超寬帶信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過(guò)接收濾波器模塊后送入模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊；并存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器模塊，存儲(chǔ)器模塊并將存儲(chǔ)的信號(hào)分別送往統(tǒng)計(jì)均值波形向量產(chǎn)生模塊和協(xié)方差矩陣產(chǎn)生模塊；協(xié)方差矩陣產(chǎn)生模塊根據(jù)離散接收信號(hào)樣本和信號(hào)統(tǒng)計(jì)平均波形向量，估計(jì)接收信號(hào)協(xié)方差矩陣，并將其送往特征值分解模塊；稀疏字典產(chǎn)生模塊根據(jù)特征值分解的結(jié)果確定稀疏字典。本發(fā)明有效地對(duì)脈沖超寬帶信號(hào)進(jìn)行稀疏分解，降低脈沖超寬帶信號(hào)進(jìn)行壓縮采樣和重構(gòu)時(shí)所需的壓縮采樣率和信號(hào)重構(gòu)復(fù)雜度。
文檔編號(hào)H04B1/7163GK103220016SQ201310139258
公開(kāi)日2013年7月24日 申請(qǐng)日期2013年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月19日
發(fā)明者王德強(qiáng), 李國(guó)柱, 張子愷, 李智勇 申請(qǐng)人:山東大學(xué)