本發(fā)明涉及信號(hào)處理領(lǐng)域，尤其涉及一種多相隨機(jī)子采樣模擬信息轉(zhuǎn)換器及方法。

背景技術(shù)：

香農(nóng)-奈奎斯特定理指出，對(duì)于一個(gè)帶寬信號(hào)，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)原始信號(hào)無失真恢復(fù)，至少需要使用兩倍于信號(hào)帶寬的采樣率對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣。隨著超寬帶技術(shù)的發(fā)展，對(duì)采樣率的要求也越來越高，高采樣率會(huì)帶來硬件設(shè)計(jì)問題，還會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸存儲(chǔ)以及實(shí)時(shí)處理造成影響。然而，在實(shí)際應(yīng)用中大多數(shù)信號(hào)是稀疏或近似稀疏的，通過奈奎斯特率采集的信息存在大量的冗余。壓縮感知(Compressive Sensing，CS)理論是解決上述問題的一種思路，CS理論指出，如果信號(hào)在某個(gè)變換域是稀疏的，那么就可以利用一個(gè)與變換域不相關(guān)的觀測(cè)矩陣將信號(hào)投影到低維空間中，從而降低采樣率，并可通過求解最優(yōu)化問題從低維數(shù)據(jù)中高概率地恢復(fù)出原始信。模擬信息轉(zhuǎn)換器(Analog-to-Information Convertor，AIC)是一種利用CS理論以低于奈奎斯特采樣率直接對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采樣的技術(shù)。目前AIC的實(shí)現(xiàn)方案主要有以下四種：隨機(jī)采樣(Random Sampling，RS)、隨機(jī)濾波器(Random Filter)、隨機(jī)解調(diào)(Random Demodulator，RD)以及調(diào)制帶寬轉(zhuǎn)換器(Modulated Wideband Converter，MWC)。國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者針對(duì)這四種方案進(jìn)行了研究，將其應(yīng)用于模擬信息壓縮采樣。RS最早由Ason Laska，Sami Kirolos等人于2006年提出，該方案主要用于處理局部傅里葉稀疏信號(hào)，由于該模型采樣過程中采樣速率是不斷高速變化的，這導(dǎo)致了對(duì)高頻信號(hào)進(jìn)行采集時(shí)存在采樣過程不穩(wěn)定、采樣精度低、硬件實(shí)現(xiàn)困難等問題。RF由Tropp，Waking等人于2006年提出，該方案是針對(duì)數(shù)字信號(hào)處理提出的，也主要應(yīng)用在數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域中，可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字圖像、視頻信號(hào)進(jìn)行壓縮編碼，但不適合直接對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行壓縮采樣。RD是一種目前采用較多的AIC實(shí)現(xiàn)方案，該方案將信號(hào)與偽隨機(jī)序列相乘混頻后低通濾波，再通過低于奈奎斯特率的低速模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog-to-Digital Converter，ADC)進(jìn)行采樣。MWC使用多組平行的RD結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)對(duì)帶寬稀疏信號(hào)進(jìn)行壓縮采樣，MWC所需要的采樣速率顯著低于奈奎斯特速率。然而，MWC與RD均需要對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行混頻，AIC前端與偽隨機(jī)序列混乘電路仍然工作在奈奎斯特速率下，混頻電路中的抖動(dòng)和孔徑效應(yīng)會(huì)限制AIC的分辨率，從而導(dǎo)致恢復(fù)精度下降。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的問題，本發(fā)明提供了一種多相隨機(jī)子采樣模擬信息轉(zhuǎn)換器及方法，解決現(xiàn)有技術(shù)中恢復(fù)精度下降的問題。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：設(shè)計(jì)、制造了一種多相隨機(jī)子采樣模擬信息轉(zhuǎn)換器，由多相分頻移相器、偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器、低速ADC、累加器以及并串轉(zhuǎn)換電路組成；所述多相分頻移相器對(duì)頻率為和周期為的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行分頻，其中為模擬信號(hào)的奈奎斯特率，輸出B路時(shí)鐘信號(hào)、、、，頻率為和周期為，相鄰時(shí)鐘信號(hào)延時(shí)，相位相差；所述低速ADC對(duì)輸入模擬信號(hào)進(jìn)行隨機(jī)采樣；所述累加器對(duì)各支路ADC的采樣結(jié)果進(jìn)行累加，將各支路分別進(jìn)行累加的結(jié)果作為觀測(cè)向量；所述并串轉(zhuǎn)換電路將B路累加器輸出的信號(hào)合并成一路輸出，得到輸出結(jié)果。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)：所述偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器為多路并行偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，所述偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的時(shí)鐘信號(hào)由多相分頻移相器產(chǎn)生的信號(hào)控制，使得偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器在較低的時(shí)鐘頻率下工作。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)：所述偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生偽隨機(jī)序列，其值在之間近似隨機(jī)跳變，用以控制ADC采樣，偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器由線性反饋移位寄存器組成，在每個(gè)時(shí)間片結(jié)束時(shí)對(duì)其進(jìn)行重置，偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的周期大于。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)：所述ADC的采樣時(shí)鐘由偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入模擬信號(hào)的低速隨機(jī)采樣。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)：所述累加器對(duì)ADC采集的信號(hào)進(jìn)行累加，來實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的壓縮。

本發(fā)明同時(shí)提供了一種多相隨機(jī)子采樣模擬信息方法，包括如下步驟：(A)模擬信號(hào)經(jīng)過低速ADC進(jìn)行采樣；(B)偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的隨機(jī)序列控制采樣時(shí)鐘；(C)采集的信號(hào)通過累加器進(jìn)行求和，構(gòu)成觀測(cè)向量。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)：輸入的頻域稀疏模擬信號(hào)經(jīng)過10路并行低速ADC，其采樣時(shí)鐘由偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的隨機(jī)序列控制，將各個(gè)支路中采集的信號(hào)通過累加器進(jìn)行求和，得到10個(gè)觀測(cè)值，構(gòu)成觀測(cè)向量。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)：所述偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器為多路并行偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，所述偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的時(shí)鐘信號(hào)由多相分頻移相器產(chǎn)生的信號(hào)控制，使得偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器在較低的時(shí)鐘頻率下工作；所述偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生偽隨機(jī)序列，其值在之間近似隨機(jī)跳變，用以控制ADC采樣，偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器由線性反饋移位寄存器組成，在每個(gè)時(shí)間片結(jié)束時(shí)對(duì)其進(jìn)行重置，偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的周期大于。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)：所述ADC的采樣時(shí)鐘由偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入模擬信號(hào)的低速隨機(jī)采樣。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)：偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器由10個(gè)D觸發(fā)器DFF和一個(gè)異或門XOR串聯(lián)組成并生成10組不同的隨機(jī)數(shù)。

本發(fā)明的有益效果是：該模擬信息轉(zhuǎn)換器使用子采樣和多路ADC交替隨機(jī)采樣并累加，來實(shí)現(xiàn)信號(hào)的壓縮感知；多相隨機(jī)子采樣模擬信息轉(zhuǎn)換器可以解決RS方案中高速隨機(jī)ADC帶來的采樣精度低的問題，也避免了RD、MWC方案中混頻電路產(chǎn)生的抖動(dòng)及孔徑效應(yīng)對(duì)信號(hào)壓縮采樣造成的影響，可極大改善信號(hào)的壓縮及重構(gòu)性能。

【附圖說明】

圖1為多相隨機(jī)子采樣模擬信息轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例多相分頻移相器的結(jié)構(gòu)圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的結(jié)構(gòu)圖；

圖5位本發(fā)明實(shí)施例累加器的結(jié)構(gòu)圖。

【具體實(shí)施方式】

下面結(jié)合附圖說明及具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。

一種多相隨機(jī)子采樣模擬信息轉(zhuǎn)換器，由多相分頻移相器、偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器、低速ADC、累加器以及并串轉(zhuǎn)換電路組成；所述多相分頻移相器對(duì)頻率為和周期為的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行分頻，其中為模擬信號(hào)的奈奎斯特率，輸出B路時(shí)鐘信號(hào)、、、，頻率為和周期為，相鄰時(shí)鐘信號(hào)延時(shí)，相位相差；所述低速ADC對(duì)輸入模擬信號(hào)進(jìn)行隨機(jī)采樣；所述累加器對(duì)各支路ADC的采樣結(jié)果進(jìn)行累加，將各支路分別進(jìn)行累加的結(jié)果作為觀測(cè)向量；所述并串轉(zhuǎn)換電路將B路累加器輸出的信號(hào)合并成一路輸出，得到輸出結(jié)果。

所述偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器為多路并行偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，所述偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的時(shí)鐘信號(hào)由多相分頻移相器產(chǎn)生的信號(hào)控制，使得偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器在較低的時(shí)鐘頻率下工作。

所述偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生偽隨機(jī)序列，其值在之間近似隨機(jī)跳變，用以控制ADC采樣，偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器由線性反饋移位寄存器組成，在每個(gè)時(shí)間片結(jié)束時(shí)對(duì)其進(jìn)行重置，偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的周期大于。

所述ADC的采樣時(shí)鐘由偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入模擬信號(hào)的低速隨機(jī)采樣。

所述累加器對(duì)ADC采集的信號(hào)進(jìn)行累加，來實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的壓縮。

本發(fā)明同時(shí)提供了一種多相隨機(jī)子采樣模擬信息方法，包括如下步驟：(A)模擬信號(hào)經(jīng)過低速ADC進(jìn)行采樣；(B)偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的隨機(jī)序列控制采樣時(shí)鐘；(C)采集的信號(hào)通過累加器進(jìn)行求和，構(gòu)成觀測(cè)向量。

輸入的頻域稀疏模擬信號(hào)經(jīng)過10路并行低速ADC，其采樣時(shí)鐘由偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的隨機(jī)序列控制，將各個(gè)支路中采集的信號(hào)通過累加器進(jìn)行求和，得到10個(gè)觀測(cè)值，構(gòu)成觀測(cè)向量。

所述偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器為多路并行偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，所述偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的時(shí)鐘信號(hào)由多相分頻移相器產(chǎn)生的信號(hào)控制，使得偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器在較低的時(shí)鐘頻率下工作；所述偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生偽隨機(jī)序列，其值在之間近似隨機(jī)跳變，用以控制ADC采樣，偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器由線性反饋移位寄存器組成，在每個(gè)時(shí)間片結(jié)束時(shí)對(duì)其進(jìn)行重置，偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的周期大于。

所述ADC的采樣時(shí)鐘由偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入模擬信號(hào)的低速隨機(jī)采樣。

偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器由10個(gè)D觸發(fā)器DFF和一個(gè)異或門XOR串聯(lián)組成并生成10組不同的隨機(jī)數(shù)。

所述多相隨機(jī)子采樣模擬信息轉(zhuǎn)換器相較于隨機(jī)解調(diào)具有在相同壓縮率下恢復(fù)精度更高以及無相位失真等優(yōu)勢(shì)。

在一實(shí)施例中，本發(fā)明所述多相隨機(jī)子采樣模擬信息轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，圖2為本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)圖，是一個(gè)10通道并行模擬信息轉(zhuǎn)換電路。其中，多相隨機(jī)子采樣模擬信息轉(zhuǎn)換器包括：多相分頻移相器，偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，低速ADC，累加器以及并串轉(zhuǎn)換電路。輸入的頻域稀疏模擬信號(hào)經(jīng)過10路并行低速12bit ADC，其采樣時(shí)鐘由偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的隨機(jī)序列控制，將各個(gè)支路中采集的信號(hào)通過累加器進(jìn)行求和，得到10個(gè)觀測(cè)值，構(gòu)成觀測(cè)向量。

圖2中的多相分頻移相器由10個(gè)D觸發(fā)器和4個(gè)三輸入與門串聯(lián)組成，電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。多相分頻移相器對(duì)頻率為＝1GHz(周期為＝1ns)的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行分頻，產(chǎn)生10路頻率為100MHz，相位相差為的時(shí)鐘信號(hào)。

圖2中的偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器由10個(gè)D觸發(fā)器(DFF)和一個(gè)異或門(XOR)串聯(lián)組成，電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。將第1、4、10級(jí)移位寄存器的輸出作為反饋信號(hào)輸入到第一級(jí)，輸出信號(hào)符合伯努利分布。偽隨機(jī)數(shù)的時(shí)鐘信號(hào)由多相分頻移相器產(chǎn)生，使得偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器可以工作在較低的時(shí)鐘頻率下。每個(gè)時(shí)間片結(jié)束時(shí)對(duì)偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的各個(gè)D觸發(fā)器進(jìn)行重置，確保每個(gè)時(shí)間片內(nèi)偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的偽隨機(jī)數(shù)相同。本發(fā)明實(shí)施例需要10個(gè)不同的偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，來產(chǎn)生10組不同的偽隨機(jī)數(shù)，具體實(shí)施方法為分別將第1、4、10級(jí)，第2、5、10級(jí)，第3、6、10級(jí)，第4、7、10級(jí)，第5、8、10級(jí)，第2、4、10級(jí)，第2、6、10級(jí)，第2、8、10級(jí)，第3、7、10級(jí)，第4、8、10級(jí)移位寄存器的輸出作為反饋信號(hào)輸入到第一級(jí)。

圖2中的累加器由加法器和寄存器組成，電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。各支路中ADC將采集的信號(hào)輸入至累加器中，累加器將一個(gè)時(shí)間片內(nèi)累加值作為觀測(cè)信號(hào)傳輸至并串轉(zhuǎn)換電路。累加器中寄存器時(shí)鐘信號(hào)由偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器輸出信號(hào)控制，一個(gè)時(shí)間片結(jié)束后，將寄存器清零，為下個(gè)時(shí)間片信號(hào)壓縮采樣做準(zhǔn)備。

本發(fā)明公開了一種多相隨機(jī)子采樣模擬信息轉(zhuǎn)換器，該模擬信息轉(zhuǎn)換器可以使用亞奈奎斯特率對(duì)頻域稀疏的模擬信號(hào)進(jìn)行壓縮采樣，減少信號(hào)采集過程中的數(shù)據(jù)量，有利于信號(hào)的實(shí)時(shí)處理，且系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，在相同壓縮率下采樣恢復(fù)精度高、無相位失真，具有很好的實(shí)用性。

以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施只局限于這些說明。對(duì)于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡(jiǎn)單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。