《電子技術應用》
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預調制多陪集采樣系統
2022年電子技術應用第4期
黃 振，柏正堯
云南大學 信息學院，云南 昆明650500
摘要： 目前，壓縮采樣系統主要有隨機解調器、調制寬帶轉換器和多陪集采樣3種，其中，多陪集采樣的系統框架簡單、重構成功率高，但用硬件實現時面臨兩個難題，一是低速模數轉換器(ADC)的輸入模擬帶寬存在上限，二是難以實現各通道上的精準時延。借鑒調制寬帶轉換器在采樣前先對輸入信號進行預調制的思想，將預調制與多陪集采樣結合，提出了預調制多陪集采樣系統。采樣前，在采樣系統各通道上，由隨機序列發(fā)生器產生周期單脈沖序列，對輸入信號進行頻譜調制以降低采樣前信號的模擬帶寬；然后，調制信號由低速ADC進行采樣，且各通道上的低速ADC與隨機序列發(fā)生器列共用同一個控制時鐘；最后，采用多信號分類算法(MUSIC)算法近乎無失真地重構出輸入信號。仿真實驗結果表明，當以15%的奈奎斯特采樣速率對輸入信號進行壓縮采樣時，重構信號的均方誤差僅為10-5量級。這驗證了該采樣系統的可行性，有效解決了多陪集采樣系統的兩個難題。
中圖分類號： TN911
文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.212221
中文引用格式： 黃振，柏正堯. 預調制多陪集采樣系統[J].電子技術應用，2022，48(4)：48-52.
英文引用格式： Huang Zhen，Bai Zhengyao. Pre-modulated multi-coset sampling system[J]. Application of Electronic Technique，2022，48(4)：48-52.
Pre-modulated multi-coset sampling system
Huang Zhen，Bai Zhengyao
School of Information Science and Engineering，Yunnan University，Kunming 650500，China
Abstract： At present, the compressed sampling system mainly includes three sampling system: random demodulator，modulated wideband converter and multi-coset sampling, among them, the system framework of multi-coset sampling is simple and has a high reconstruction success rate. But, the multi-coset sampling faces two difficulties in hardware implementation, one is that there is an upper limit on the input analog bandwidth of the low-speed analog-to-digital converter(ADC), and the other is it′s difficult to achieve precise delays on each channel. This paper draws on the ideal of modulated wideband converter which the input signal is pre-modulated before sampling, proposes the pre-modulated multi-coset sampling system which combines pre-modulation with multi-coset sampling. Before sampling, the generate periodic single-pulse sequences is generated by a random sequence generator in each channel of the sampling system, and the input signal is spectrally modulated to reduce the analog bandwidth of the signal before sampling. Then, the modulated signal is sampled by the low-speed ADC, and each channel of low-speed ADC and random sequence generator share a same control clock. Finally, the multiple signal classification algorithm(MUSIC) is used to reconstruct the input signal without distortion. The simulation results show that the mean square error of the reconstructed signal is at the order of 10-5 when the input signal is compressed and sampled at 15% Nyquist sampling rate. This verifies the feasibility of the sampling system in this paper, and the sampling system effectively overcome the two problems of the multi-coset sampling system.
Key words : compressed sensing；multi-coset sampling；pre-modulated；MUSIC algorithm；modulated wideband converter

0 引言

    隨著信息技術的不斷飛速發(fā)展，學者在研究信號處理的前沿領域取得了卓越成就，隨著對前沿信息技術探知的增加，雖然科技人員已研制出高性能的ADC，但現有最高采樣速率的ADC仍無法滿足學者們對更高頻率的信號頻譜及信號特征的研究，且采樣速率超過1 GHz的商用ADC價格非常昂貴[1]。針對具有稀疏特性的信號，提出的壓縮感知(Compressed Sensing，CS)理論[2-4]緩解了ADC采樣速率的壓力，實現對信號的采樣和壓縮同步進行，并刪除了冗余信息，降低了數據運算量，緩解了硬件壓力，然后再由重構算法實現從低維的壓縮數據中重構出輸入信號。

    目前，信號處理中的壓縮采樣系統[5-6]主要有隨機解調器(Random Demodulator，RD)[7]、多陪集采樣(Multi-Coset Sampling，MCS)[1，6-8]和調制寬帶轉換器(Modulated Wideband Converter，MWC)[1，6-7，9]3種采樣系統。RD是單通道多音頻模型的欠采樣，對輸入信號模型比較敏感，當信號是非線譜信號時，重構誤差和重構計算量均較大，因此無法普遍適用于所有的寬帶信號[1]。MWC采樣系統是多通道均勻亞奈奎斯特采樣，隨著采樣系統通道數的增加，使得產生各通道上非相關偽隨機序列的難度成幾何倍數地增加，同時偽隨機序列的跳變速率不小于奈奎斯特采樣速率。MCS是多通道周期非均勻亞奈奎斯特采樣，通過調整各通道上的時延實現頻域內不同權值的頻譜裁剪，在硬件實現時各通道上的時延器很難產生理論中的理想時延，同時MCS在接收信號前未先進行低通濾波，導致ADC的接收輸入模擬帶寬必須不小于輸入信號的模擬帶寬。




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作者信息：

黃  振，柏正堯

(云南大學 信息學院，云南 昆明650500)




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