[發明專利]一種基于壓縮感知的寬帶塊稀疏頻譜恢復方法

有效

• 申請號: 201810613249.8
• 申請日: 2018-06-14
• 公開（公告）號: CN108847909B
• 公開（公告）日: 2020-10-27
• 發明（設計）人: 何奇;曠寧遠;陳智
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: H04B17/382
• 分類號: H04B17/382
• 代理公司: 成都點睛專利代理事務所(普通合伙) 51232
• 代理人: 孫一峰

本發明屬于頻譜感知技術領域，具體的說是一種基于壓縮感知的寬帶塊稀疏頻譜恢復方法。為了得到寬帶信號的稀疏的頻域信息，根據奈切斯特定律，傳統的時域采樣方法需要使用高采樣速率的模數轉換器，這會帶來很高的硬件成本。結合更高效的稀疏采樣的硬件結構，本方法通過引入壓縮感知技術，針對寬帶頻譜信號的塊稀疏特征，提出了一種元素重疊的目標懲罰函數。該方法可以使用標準的凸優化工具進行求解，從而實現寬帶信號的塊稀疏頻譜恢復。和傳統方法相比，本方法可以顯著的降低寬帶頻譜感知所需模數轉化器的采樣速率和實現難度；與其他壓縮感知技術相比，具有更好的塊稀疏頻譜恢復精度。

技術領域

本發明屬于頻譜感知技術領域，具體的說是一種基于壓縮感知的寬帶塊稀疏頻譜恢復方法。

背景技術

在無線通信的環境中，大多數的用戶不會在所有時刻都占用著被授權的頻譜。有調查顯示，所分配頻譜的最大頻譜利用率小于10％。為了在這樣的環境下提升頻譜利用率，二級用戶采用認知無線電的技術，可以在保證不對一級用戶造成干擾的前提下使用空閑的頻譜。頻譜感知的目標就是尋找空閑的頻譜，也是認知無線電的重要功能之一。作為頻譜感知的一個重要組成部分，需要有滿足采樣定理的ADC對信號進行采樣。但是在寬帶系統中，對ADC的采樣速率提出了很高的要求，實現難度很高，因此需要研究在亞奈奎斯特率下的寬帶塊稀疏頻譜的恢復方案。

寬帶塊稀疏頻譜的恢復方法近年來引起了國內外眾多學者的廣泛關注。目前，已經提出的塊稀疏頻譜的恢復方法有塊稀疏貝葉斯學習、正交匹配追蹤(OMP)、l₂/l₁范數最小化法、群基追蹤法等。以上方法均需要塊分區的先驗信息，這在寬帶塊稀疏恢復問題中難以實現。結構正交匹配追蹤算法(struct OMP)不需要塊分區的先驗信息,但是它需要待恢復稀疏信號非零系數的數目。調研已有的寬帶塊稀疏頻譜的恢復方法，發現其共同之處是需要較多的稀疏頻譜的先驗信息，有著較大的局限性。如果能找到一種不需要太多先驗信息的寬帶塊稀疏頻譜的恢復方法將是十分有意義的。

發明內容

本發明的目的，就是提供一種基于壓縮感知思想的無需待恢復的稀疏譜聚類模式先驗信息的寬帶稀疏譜的恢復方法。

本發明所采用的技術方案為：

S1、建立接收信號模型：

假設寬帶模擬信號r(t)由認知無線電接收并向下轉換，它所跨越的頻率范圍[0,W]＝[0,f_L]△，其中W為r(t)的帶寬，△是對應的頻率分辨率。假設信號r(t)在頻譜上具有稀疏的特性，我們假設為模擬信號r(t)的離散表示，N為在沒有混疊的情況下恢復信號所需的采樣點數。向量x＝Fr表示r的頻譜，其中x∈С^N只有K個非零元素(KN),F為N×N的酉傅里葉矩陣。將向量x視為一個信號，N為向量x的維度，與x的非零元素對應的一組索引為x的支持集。

得到系統模型如下：

y＝F^-1x+n'

其中n'為采樣噪聲，y為接收端收到的時域信號。

S2、采用多路ADC并行采樣的方式對接收信號進行采樣：

在常規的頻譜感知算法中，通常使用單路的ADC(Analog to Digital Converter)對接收的信號進行采樣再進行下一步的處理，如圖1。根據奈切斯特采樣定理，當采樣頻率大于信號中最高頻率的2倍時，采樣之后的數字信號完整地保留了原始信號中的信息。但是當寬帶通信系統的傳輸速率很高時，系統的帶寬也會很大，這時再采用單路ADC的方法，對ADC采樣速率的要求非常高，難以實現，而且會帶來很高的功耗和發熱，給系統設計帶來很高的挑戰。