一种脉冲超宽带系统正交稀疏字典的产生系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种脉冲超宽带系统正交稀疏字典的产生系统及产生方法，超宽带发射机周期性的发射一系列未经调制的超宽带单脉冲信号波形，超宽带天线模块接收来自无线信道的脉冲超宽带信号，该信号经过接收滤波器模块后送入模数转换模块；并存储在存储器模块，存储器模块并将存储的信号分别送往统计均值波形向量产生模块和协方差矩阵产生模块；协方差矩阵产生模块根据离散接收信号样本和信号统计平均波形向量，估计接收信号协方差矩阵，并将其送往特征值分解模块；稀疏字典产生模块根据特征值分解的结果确定稀疏字典。本发明专利技术有效地对脉冲超宽带信号进行稀疏分解，降低脉冲超宽带信号进行压缩采样和重构时所需的压缩采样率和信号重构复杂度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及，属于宽带无线通信

技术介绍
信号采样是连接模拟信号与数字信号的桥梁。为了能够精确重构原信号，传统意义上的信号采样必须满足奈奎斯特采样定理，即采样速率要等于或大于信号最大截止频率的2倍。随着科技的进步，人们对信息的需求越来越多，信号带宽也越来越高，以奈奎斯特采样定理为基础的信号处理框架要求的采样速率和处理速度也越来越高。因此，宽带信号的奈奎斯特速率采样成为制约宽带系统发展的难题。一方面，高的采样速率不利于系统的硬件实现，例如超宽带信号带宽可达几个吉赫兹(GHz)，根据奈奎斯特采样定理，采样率高达数十吉赫兹，现有的硬件技术水平难以实现；另一方面，高速率的数据采样对数据存储、处理和传输造成了巨大的压力。近年来，一种新的信号处理理论一“压缩感知”，引起了研究人员的极大关注，为解决目前所面临的问题带来了希望。压缩感知理论与传统奈奎斯特采样定理不同，在该理论框架下，对于某个宽带信号，只要它具有稀疏性或者是可压缩的，那么就可以采用一个随机观测矩阵将该信号投影的一个低维的空间上，得到远低于奈奎斯特速率的观测序列(即采样序列)。通过基追踪算法(BP:Basic Pursuit Algorithm)、匹配追踪算法(MP:Matching Pursuit Algorithm)、正交匹配追踪算法(OMP:0rthogonal Matching Pursuit Algorithm)等重构算法,可以从低速观测序列中高概率地重构或逼近原始信号。另外，信号重构时需要一个与该宽带信号匹配的稀疏字典。信号在该字典上的稀疏 度(信号在稀疏字典上投影，投影系数向量中起主导作用的元素个数，即稀疏度)越小，信号重构时所需的观测矩阵规模和信号重构复杂度也越小。附附图说明图1给出了基于压缩感知理论的信号采样与重构系统框图。脉冲超宽带(IR-UWB:1mpulse radio ultra-wideband)技术是无线通信领域中一个新的发展方向，可以用于无线个域网(WPAN:wireless personal area network)、无线体域网(WBAN:wireless body area network)等近距离无线数据网络,也可用于雷达测距、雷达成像等系统。为了进行脉冲超宽带信号的数字域处理与检测，必须首先实现采样与数字化。由于超宽带信号带宽高达数吉赫兹量级，对其实施奈奎斯特速率采样需要极高的采样率，目前采样电路技术水平难以满足要求。为了解决脉冲超宽带信号数字化过程中所面对的难题，研究人员提出将压缩感知理论应用于脉冲超宽带系统之中。针对脉冲超宽带系统，已提出两种典型的稀疏字典，一种基于时域稀疏模型，另一种基于多径分集模型。实践证明，在超宽带信道环境中，利用这两种稀疏字典对脉冲超宽带信号进行分解时，稀疏度仍然很大，这不利于降低采样速率，也不利于降低信号重构的复杂度。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术提供，利用所述系统和方法产生的稀疏字典对脉冲超宽带信号进行分解时，大大降低信号稀疏度，采用该稀疏字典对超宽带信号进行压缩采样和重构时，有效地降低压缩采样率和信号重构复杂度。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案:一种脉冲超宽带系统正交稀疏字典的产生系统，它包括超宽带发射机模块:周期性的发送未经调制的超宽带单脉冲信号波形，这些波形经无线信道传输后到达接收端；超宽带天线模块:接收来自无线信道的脉冲超宽带信号，并将该脉冲信号送入接收滤波器模块；接收滤波器模块:对脉冲超宽带信号滤除带外噪声和干扰；模数转换模块:对滤除噪声后的超宽带信号进行模数转换，并将转换后的超宽带数字信号送往存储器模块；存储器模块:用于存储经模数转换后的各离散脉冲超宽带信号，并将存储的信号分别送往统计均值波形向量产生模块和协方差矩阵产生模块；统计均值波形向量产生模块:其对所有的接收信号样本求和取平均，估计接收信号的统计平均波形向量，并将其送往协方差矩阵产生模块；协方差矩阵产生模块:其根据接收信号样本和信号统计平均波形向量，估计接收信号协方差矩阵，并将其送往特征值分解模块；特征值分解模块:对所述协方差矩阵产生模块产生的协方差矩阵进行特征值分解，并将分解产生的特征向量送往稀疏字典产生模块；稀疏字典产生模块:根据所述特征值分解模块对特征值分解的结果，按照对应特征值由大到小的顺序将产生的特征向量组合起来，构成稀疏字典，另外，也可只取对应于较大特征值的少量特征向量构成欠完备的稀疏字典。一种基于脉冲超宽带系统正交稀疏字典的产生系统的产生方法，具体步骤为:步骤一:超宽带发射机模块周期性的发送未经调制的超宽带单脉冲信号波形，这些信号波形经过无线信道传输后到达接收端，接收机通过超宽带天线模块、接收滤波器模块和模数转换模块，获取大量的离散接收信号样本，并将其存入存储器模块中；步骤二:统计均值波形向量产生模块对离散接收信号样本集合求算术平均，获得接收信号的统计平均波形 向量；步骤三:协方差矩阵产生模块利用离散接收信号样本集合和接收信号的统计平均波形向量估计接收信号的协方差矩阵；步骤四:特征值分解模块对步骤三获得的协方差矩阵进行特征值分解，稀疏字典产生模块将特征值分解产生的特征向量组合构成稀疏字典。所述步骤一的具体步骤为:由于超宽带信道的随机特性，超宽带发射机发射的单脉冲信号波形经无线信道传输到达接收端后是一个多维的随机波形，接收端通过接收机天线模块、接收滤波器模块和模数转换模块，获取大量的离散接收信号样本；假设离散接收信号样本集合为Ix1, x2，x3，...，XM}，其中，M为样本数目，Xi表示第i个接收信号样本，为一个N维的列向量，其中i = 1,2，...，M。所述步骤二的具体步骤为:对获得的信号样本集合Ix1, X2, X3, , xM}求算术平均，获得接收信号平均波形向量，即本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种脉冲超宽带系统正交稀疏字典的产生系统，其特征是，它包括超宽带发射机模块：周期性的发送未经调制的超宽带单脉冲信号波形，这些波形经无线信道传输后到达接收端；超宽带天线模块：接收来自无线信道的脉冲超宽带信号，并将该脉冲信号送入接收滤波器模块；接收滤波器模块：对脉冲超宽带信号滤除带外噪声和干扰；模数转换模块：对滤除噪声后的超宽带信号进行模数转换，并将转换后的超宽带数字信号送往存储器模块；存储器模块：用于存储经模数转换后的各离散脉冲超宽带信号，并将存储的信号分别送往统计均值波形向量产生模块和协方差矩阵产生模块；统计均值波形向量产生模块：其对所有的接收信号样本求和取平均，估计接收信号的统计平均波形向量，并将其送往协方差矩阵产生模块；协方差矩阵产生模块：其根据接收信号样本和信号统计平均波形向量，估计接收信号协方差矩阵，并将其送往特征值分解模块；特征值分解模块：对所述协方差矩阵产生模块产生的协方差矩阵进行特征值分解，并将分解产生的特征向量送往稀疏字典产生模块；稀疏字典产生模块：根据所述特征值分解模块对特征值分解的结果，按照特征值由大到小的顺序将产生的特征向量组合起来，构成稀疏字典。

【技术特征摘要】
1.一种脉冲超宽带系统正交稀疏字典的产生系统，其特征是，它包括 超宽带发射机模块:周期性的发送未经调制的超宽带单脉冲信号波形，这些波形经无线信道传输后到达接收端； 超宽带天线模块:接收来自无线信道的脉冲超宽带信号，并将该脉冲信号送入接收滤波器模块； 接收滤波器模块:对脉冲超宽带信号滤除带外噪声和干扰； 模数转换模块:对滤除噪声后的超宽带信号进行模数转换，并将转换后的超宽带数字信号送往存储器模块； 存储器模块:用于存储经模数转换后的各离散脉冲超宽带信号，并将存储的信号分别送往统计均值波形向量产生模块和协方差矩阵产生模块； 统计均值波形向量产生模块:其对所有的接收信号样本求和取平均，估计接收信号的统计平均波形向量，并将其送往协方差矩阵产生模块； 协方差矩阵产生模块:其根据接收信号样本和信号统计平均波形向量，估计接收信号协方差矩阵，并将其送往特征值分解模块； 特征值分解模块:对所述协方差矩阵产生模块产生的协方差矩阵进行特征值分解，并将分解产生的特征向量送往稀疏字典产生模块； 稀疏字典产生模块:根据所述特征值分解模块对特征值分解的结果，按照特征值由大到小的顺序将产生的特征向量组合起来，构成稀疏字典。2.一种基于权利要求1所述的脉冲超宽带系统正交稀疏字典的产生系统的产生方法，其特征是，具体步骤为: 步骤一:超宽带发射机模块周期性的发送未经调制的超宽带单脉冲信号波形，这些信号波形经过无线信道传输后到达接收端，接收机通过超宽带天线模块、接收滤波器模块和模数转换器模块，获取大量的离散接收信号样本，并将其存入存储器模块中； 步骤二:统计均值波形向量产生模块对离散接收信号样本集合求算术平均，获得接收信号的统计平均波形向量； 步骤三:协方差矩阵 产生模...

【专利技术属性】
技术研发人员：王德强，李国柱，张子恺，李智勇，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：