壓縮感知的脈沖超寬帶接收機的窄帶干擾抑制系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了壓縮感知的脈沖超寬帶接收機的窄帶干擾抑制系統(tǒng)及方法，所述方法包含帶外噪聲濾除、導(dǎo)頻部分窄帶干擾估計、導(dǎo)頻部分窄帶干擾抑制、信號相關(guān)模板重構(gòu)、負載部分窄帶干擾估計與抑制、相關(guān)解調(diào)六個步驟。所述方法有兩個關(guān)鍵點：一是利用壓縮感知技術(shù)逐一估計出各導(dǎo)頻符號波形中的窄帶干擾，并利用減法器從導(dǎo)頻觀測序列中減去對應(yīng)窄帶干擾觀測序列，提高了信號相關(guān)模板估計精度；二是利用壓縮感知技術(shù)逐一估計出各負載符號波形中的窄帶干擾，并用減法器從負載信號波形中消除，提高了負載信號信干比。本發(fā)明方法利用壓縮感知技術(shù)實現(xiàn)窄帶干擾的估計和抑制，大大降低了采樣率，具有良好的窄帶干擾抑制效果，提高了超寬帶接收機性能。
【專利說明】壓縮感知的脈沖超寬帶接收機的窄帶干擾抑制系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種壓縮感知的脈沖超寬帶接收機的窄帶干擾抑制系統(tǒng)及方法，屬于寬帶無線通信領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]奈奎斯特采樣定理指出:無失真地從離散信號中恢復(fù)原信號，其采樣速率至少是信號帶寬的2倍。壓縮感知技術(shù)(CS:Compressed Sensing)是一種新興的信號處理框架。不同于傳統(tǒng)的奈奎斯特采樣定理，壓縮感知理論在遠低于奈奎斯特采樣定理的采樣速率下同時壓縮信號。該理論指出:對于任何可壓縮或稀疏信號，通過一個觀測矩陣將信號投影到一個低維空間上，然后通過一系列的重構(gòu)算法重構(gòu)或逼近出原始信號。對應(yīng)的重構(gòu)算法包括基追蹤算法(BP:Basic Pursuit Algorithm)、匹配追蹤算法(MP:Matching PursuitAlgorithm)、正交匹配追蹤算法(OMP:0rthogonal Matching Pursuit Algorithm)、子空間追蹤算法(SP:Subspace Pursuit Algorithm)等。
[0003]脈沖超寬帶系統(tǒng)(IR UffB)是一種高速率、低成本、低功耗、保密性好的新興短距離無線通信技術(shù)，可用于無線個域網(wǎng)(WPAN:Wireless Personal Area Network)、無線體域網(wǎng)(WBAN:ffireless Body Area Network)等近距離無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò),也可用于雷達測距、雷達成像等系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的無線通信技術(shù)不同，脈沖超寬帶采用頻譜重疊方式去共享目前正在使用的頻譜資源，即它和現(xiàn)有的窄帶無線系統(tǒng)是同時存在的。雖然美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)限制了超寬帶系統(tǒng)輻射功率以保證現(xiàn)有窄帶無線通信系統(tǒng)的正常運行，但是，由于其他窄帶無線通信系統(tǒng)相對于超寬帶系統(tǒng)輻射功率很高，其不可避免的對脈沖超寬帶系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。這些干擾在超寬帶帶寬內(nèi)表現(xiàn)為多個窄帶干擾的形式。為保證超寬帶系統(tǒng)的可靠通信，需要抑制其他通信系統(tǒng)的干擾。一方面，經(jīng)典的窄帶干擾抑制技術(shù)是基于奈奎斯特采樣定理的陷波干擾抑制技術(shù)。這種方法通過FFT變換在頻域?qū)崿F(xiàn)干擾的估計和抑制，然后通過IFFT變回到時域進而完成整個干擾的抑制過程。但基于FFT算法的時頻變換需要對射頻干擾信號以奈奎斯特速率進行采樣，同時由于脈沖超寬帶系統(tǒng)的高帶寬(Ghz)特性，因此需要極高的采樣率。這無疑增加了系統(tǒng)硬件實現(xiàn)的難度和成本。另一方面，近年來，國內(nèi)外僅有一篇研究將壓縮感知理論應(yīng)用于脈沖超寬帶系統(tǒng)窄帶干擾估計的文章(徐湛，趙熠飛，周春暉，王京，安建平。“基于壓縮傳感的脈沖超寬帶系統(tǒng)窄帶干擾估計算法”，儀器儀表學(xué)報，2011年3月第32卷第3期)出現(xiàn)，文章側(cè)重點為針對窄帶干擾OMP算法的改進，僅僅簡單介紹了一下窄帶干擾的估計過程，但卻沒有對窄帶干擾估計和抑制的整個流程進行系統(tǒng)的介紹。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的就是為了解決上述問題，提供了一種壓縮感知的脈沖超寬帶接收機的窄帶干擾抑制系統(tǒng)及方法，該方法通過壓縮感知技術(shù)估計和抑制窄帶干擾，降低了接收機的采樣率，且具有良好的窄帶干擾抑制效果。[0005]為了實現(xiàn)上述目的，該方法包括以下步驟:
[0006]壓縮感知的脈沖超寬帶接收機的窄帶干擾抑制系統(tǒng)，包括
[0007]寬帶濾波器模塊，利用寬帶濾波器，濾除脈沖超寬帶信號中的帶外噪聲；
[0008]壓縮感知窄帶干擾估計模塊，用壓縮感知理論，從脈沖超寬帶信號中的導(dǎo)頻部分中，得到窄帶干擾模板；
[0009]壓縮感知超寬帶相關(guān)模板估計模塊，利用壓縮感知窄帶干擾估計模塊產(chǎn)生的窄帶干擾模板，消除導(dǎo)頻中窄帶干擾的影響，然后利用壓縮感知理論，得到超寬帶信號相關(guān)模板；
[0010]信號延遲模塊:將負載信號適當延遲，并送往負載窄帶干擾抑制模塊；
[0011]負載觀測存儲模塊:暫存由觀測模塊獲得的負載觀測序列，并將各個負載信號的觀測序列依次送往窄帶干擾估計模板；
[0012]負載窄帶干擾抑制模塊:利用減法器從各負載信號波形中減去由窄帶干擾估計模板估計的該負載信號中包含的窄帶干擾，并將抑制窄帶干擾后的負載信號送往相關(guān)解調(diào)模塊；
[0013]相關(guān)解調(diào)模塊:以信號相關(guān)模板產(chǎn)生模塊產(chǎn)生的信號模板為相關(guān)模板，利用相關(guān)器和判決器對負載窄帶干擾抑制模塊輸出的抑制窄帶干擾后的負載信號進行相關(guān)解調(diào)。
[0014]所述寬帶濾波器模塊包括:
[0015]超寬帶天線模塊:接收來自無線信道的脈沖超寬帶信號，并將該信號送入接收濾波器模塊；
[0016]接收濾波器模塊:對脈沖超寬帶信號濾除帶外噪聲和干擾。
[0017]所述壓縮感知窄帶干擾估計模塊包括:
[0018]觀測模塊:對導(dǎo)頻符號波形和負載符號波形分別進行觀測，并將導(dǎo)頻觀測序列送往導(dǎo)頻觀測存儲模塊，將負載觀測序列送往負載觀測存儲模塊；
[0019]導(dǎo)頻觀測存儲模塊:暫存各導(dǎo)頻符號波形的觀測序列，并將其送往窄帶干擾估計模塊和減法器模塊；
[0020]窄帶干擾估計模塊:利用OMP算法估計窄帶干擾，將估計的導(dǎo)頻符號波形中含有的窄帶干擾送往導(dǎo)頻窄帶干擾觀測模塊，將估計的負載信號波形中含有的窄帶干擾送往負載窄帶干擾抑制模塊。
[0021]所述壓縮感知超寬帶相關(guān)模板估計模塊包括:
[0022]導(dǎo)頻窄帶干擾觀測模塊:將窄帶干擾估計模塊估計的導(dǎo)頻符號窄帶干擾分別進行觀測，并將觀測得到的窄帶干擾觀測序列送往窄帶干擾觀測存儲模塊；
[0023]窄帶干擾觀測存儲模塊:暫存窄帶干擾觀測序列，并將其送往減法器模塊；
[0024]減法器模塊:利用減法器，從各個導(dǎo)頻觀測序列中減去其對應(yīng)的窄帶干擾觀測序列，獲得抑制窄帶干擾的導(dǎo)頻觀測序列；
[0025]向量平均模塊:對減法器模塊中獲得的抑制窄帶干擾的導(dǎo)頻觀測序列進行求和取平均操作獲得平均導(dǎo)頻觀測序列，以降低加性高斯白噪聲的影響，并將其送往信號相關(guān)模板產(chǎn)生模塊；
[0026]信號相關(guān)模板產(chǎn)生模塊:根據(jù)向量平均模塊獲得的平均導(dǎo)頻觀測序列，利用OMP算法重構(gòu)信號相關(guān)模板，并送往相關(guān)解調(diào)模塊。[0027]基于壓縮感知的脈沖超寬帶接收機的窄帶干擾抑制方法，包括如下步驟:
[0028]步驟(1):收發(fā)雙方建立通信后，接收端接收來自無線信道的脈沖超寬帶信號，所述脈沖超寬帶信號包括兩個部分:導(dǎo)頻部分和數(shù)據(jù)負載部分，濾除疊加在脈沖超寬帶信號上的帶外噪聲；
[0029]步驟(2):接收端基于壓縮感知理論，利用事先生成的高斯隨機矩陣作為觀測矩陣，對步驟(1)中脈沖超寬帶信號導(dǎo)頻部分中各導(dǎo)頻符號波形進行觀測，獲得若干導(dǎo)頻觀測序列，之后對各個導(dǎo)頻符號波形中含有的窄帶干擾進行估計；
[0030]步驟(3):
[0031]用步驟(2)中的觀測矩陣對步驟(2)中估計的窄帶干擾分別進行觀測，獲得若干窄帶干擾觀測序列；
[0032]從步驟(2)中獲得的若干導(dǎo)頻觀測序列減去對應(yīng)窄帶干擾觀測序列，獲得去除窄帶干擾的若干導(dǎo)頻觀測序列；
[0033]步驟(4):將步驟(3)中獲得的去除窄帶干擾的若干導(dǎo)頻觀測序列進行取平均操作獲得平均導(dǎo)頻觀測序列，以降低加性高斯白噪聲的影響，并根據(jù)獲得的平均導(dǎo)頻觀測序列，重構(gòu)出信號相關(guān)模板；所述信號相關(guān)模板是指:供相關(guān)接收機中相關(guān)器使用的本地參考信號;
[0034]步驟(5):利用步驟(2)中的觀測矩陣，對步驟(1)中脈沖超寬帶信號的數(shù)據(jù)負載部分中各數(shù)據(jù)符號波形進行觀測，獲得數(shù)據(jù)負載觀測序列，之后對各個數(shù)據(jù)符號波形中含有的窄帶干擾進行估計，得到窄帶干擾波形，然后利用減法器，從負載信號波形中減掉窄帶干擾波形，消除窄帶干擾的影響；
[0035]步驟(6):對步驟(5)中獲得的消除窄帶干擾后的負載信號波形，利用步驟(4)中產(chǎn)生的信號相關(guān)模板，通過相關(guān)接收機進行相關(guān)解調(diào)獲得數(shù)據(jù)符號序列。
[0036]所述步驟(1)的具體步驟為:
[0037]假設(shè)接收端獲取的超寬帶信號波形為:
【權(quán)利要求】
1.壓縮感知的脈沖超寬帶接收機的窄帶干擾抑制系統(tǒng)，其特征是，包括 寬帶濾波器模塊，利用寬帶濾波器，濾除脈沖超寬帶信號中的帶外噪聲； 壓縮感知窄帶干擾估計模塊，用壓縮感知理論，從脈沖超寬帶信號中的導(dǎo)頻部分中，得到窄帶干擾模板； 壓縮感知超寬帶相關(guān)模板估計模塊，利用壓縮感知窄帶干擾估計模塊產(chǎn)生的窄帶干擾模板，消除導(dǎo)頻中窄帶干擾的影響，然后利用壓縮感知理論，得到超寬帶信號相關(guān)模板；信號延遲模塊:將負載信號適當延遲，并送往負載窄帶干擾抑制模塊； 負載觀測存儲模塊:暫存由觀測模塊獲得的負載觀測序列，并將各個負載信號的觀測序列依次送往窄帶干擾估計模板； 負載窄帶干擾抑制模塊:利用減法器從各負載信號波形中減去由窄帶干擾估計模板估計的該負載信號中包含的窄帶干擾，并將抑制窄帶干擾后的負載信號送往相關(guān)解調(diào)模塊；相關(guān)解調(diào)模塊:以信號相關(guān)模板產(chǎn)生模塊產(chǎn)生的信號模板為相關(guān)模板，利用相關(guān)器和判決器對負載窄帶干擾抑制模塊輸出的抑制窄帶干擾后的負載信號進行相關(guān)解調(diào)。
2.如權(quán)利要求1所述的壓縮感知的脈沖超寬帶接收機的窄帶干擾抑制系統(tǒng)，其特征是， 所述寬帶濾波器模塊包括: 超寬帶天線模塊:接收來自無線信道的脈沖超寬帶信號，并將該信號送入接收濾波器模塊； 接收濾波器模塊:對脈沖超寬帶信號濾除帶外噪聲和干擾。
3.如權(quán)利要求1所述的壓縮感知的脈沖超寬帶接收機的窄帶干擾抑制系統(tǒng)，其特征是， 所述壓縮感知窄帶干擾估計模塊包括: 觀測模塊:對導(dǎo)頻符號波形和負載符號波形分別進行觀測，并將導(dǎo)頻觀測序列送往導(dǎo)頻觀測存儲模塊，將負載觀測序列送往負載觀測存儲模塊； 導(dǎo)頻觀測存儲模塊:暫存各導(dǎo)頻符號波形的觀測序列，并將其送往窄帶干擾估計模塊和減法器模塊； 窄帶干擾估計模塊:利用OMP算法估計窄帶干擾，將估計的導(dǎo)頻符號波形中含有的窄帶干擾送往導(dǎo)頻窄帶干擾觀測模塊，將估計的負載信號波形中含有的窄帶干擾送往負載窄帶干擾抑制模塊。
4.如權(quán)利要求1所述的壓縮感知的脈沖超寬帶接收機的窄帶干擾抑制系統(tǒng)，其特征是， 所述壓縮感知超寬帶相關(guān)模板估計模塊包括: 導(dǎo)頻窄帶干擾觀測模塊:將窄帶干擾估計模塊估計的導(dǎo)頻符號窄帶干擾分別進行觀測，并將觀測得到的窄帶干擾觀測序列送往窄帶干擾觀測存儲模塊； 窄帶干擾觀測存儲模塊:暫存窄帶干擾觀測序列，并將其送往減法器模塊； 減法器模塊:利用減法器，從各個導(dǎo)頻觀測序列中減去其對應(yīng)的窄帶干擾觀測序列，獲得抑制窄帶干擾的導(dǎo)頻觀測序列； 向量平均模塊:對減法器模塊中獲得的抑制窄帶干擾的導(dǎo)頻觀測序列進行求和取平均操作獲得平均導(dǎo)頻觀測序列，以降低加性高斯白噪聲的影響，并將其送往信號相關(guān)模板產(chǎn)生豐吳塊； 信號相關(guān)模板產(chǎn)生模塊:根據(jù)向量平均模塊獲得的平均導(dǎo)頻觀測序列，利用OMP算法重構(gòu)信號相關(guān)模板，并送往相關(guān)解調(diào)模塊。
5.基于壓縮感知的脈沖超寬帶接收機的窄帶干擾抑制方法，其特征是，包括如下步驟: 步驟(1):收發(fā)雙方建立通信后，接收端接收來自無線信道的脈沖超寬帶信號，所述脈沖超寬帶信號包括兩個部分:導(dǎo)頻部分和數(shù)據(jù)負載部分，濾除疊加在脈沖超寬帶信號上的帶外噪聲； 步驟(2):接收端基于壓縮感知理論，利用事先生成的高斯隨機矩陣作為觀測矩陣，對步驟(1)中脈沖超寬帶信號導(dǎo)頻部分中各導(dǎo)頻符號波形進行觀測，獲得若干導(dǎo)頻觀測序列，之后對各個導(dǎo)頻符號波形中含有的窄帶干擾進行估計； 步驟(3): 用步驟(2)中的觀測矩陣對步驟(2)中估計的窄帶干擾分別進行觀測，獲得若干窄帶干擾觀測序列； 從步驟(2)中獲得的若干導(dǎo)頻觀測序列減去對應(yīng)窄帶干擾觀測序列，獲得去除窄帶干擾的若干導(dǎo)頻觀測序列； 步驟(4):將步驟(3)中獲得的若干導(dǎo)頻觀測序列進行取平均操作獲得平均導(dǎo)頻觀測序列，以降低加性高斯白噪聲的影響，并根據(jù)獲得的平均導(dǎo)頻觀測序列，重構(gòu)出信號相關(guān)模板； 步驟(5):利用步驟(2)中的觀測矩陣，對步驟(1)中脈沖超寬帶信號的數(shù)據(jù)負載部分中各數(shù)據(jù)符號波形進行觀測，獲得數(shù)據(jù)負載觀測序列，之后對各個數(shù)據(jù)符號波形中含有的窄帶干擾進行估計，得到窄帶干擾波形，然后利用減法器，從負載信號波形中減掉窄帶干擾波形，消除窄帶干擾的影響； 步驟(6):對步驟(5)中獲得的消除窄帶干擾后的負載信號波形，利用步驟(4)中產(chǎn)生的信號相關(guān)模板，通過相關(guān)接收機進行相關(guān)解調(diào)獲得數(shù)據(jù)符號序列。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征是，所述步驟(1)的具體步驟為: 假設(shè)接收端獲取的超寬帶信號波形為:
7.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征是，所述步驟(2)的具體步驟為: 接收端基于壓縮感知理論，利用事先生成的高斯隨機觀測矩陣
8.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征是，所述步驟(3)的具體步驟為: 用步驟(2)中的高斯隨機觀測矩陣
9.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征是，所述步驟(4)的具體步驟為: 將步驟(3)中獲得的若干抑制窄帶干擾后的導(dǎo)頻觀測序列Iy1 ”y2 ”…yNp-f]進行取平均操作獲得平均導(dǎo)頻觀測序列F，以降低加性高斯白噪聲的影響，即
10.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征是，所述步驟(5)的具體步驟為: 首先，利用步驟(2)中的高斯隨機觀測矩陣
【文檔編號】H04B1/719GK103873111SQ201410114209
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2014年3月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月25日
【發(fā)明者】王德強, 李智勇, 李國柱, 程金龍, 孟祥鹿 申請人:山東大學(xué)