《電子技術(shù)應(yīng)用》
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预调制多陪集采样系统
2022年电子技术应用第4期
黄 振，柏正尧
云南大学 信息学院，云南 昆明650500
摘要： 目前，压缩采样系统主要有随机解调器、调制宽带转换器和多陪集采样3种，其中，多陪集采样的系统框架简单、重构成功率高，但用硬件实现时面临两个难题，一是低速模数转换器(ADC)的输入模拟带宽存在上限，二是难以实现各通道上的精准时延。借鉴调制宽带转换器在采样前先对输入信号进行预调制的思想，将预调制与多陪集采样结合，提出了预调制多陪集采样系统。采样前，在采样系统各通道上，由随机序列发生器产生周期单脉冲序列，对输入信号进行频谱调制以降低采样前信号的模拟带宽；然后，调制信号由低速ADC进行采样，且各通道上的低速ADC与随机序列发生器列共用同一个控制时钟；最后，采用多信号分类算法(MUSIC)算法近乎无失真地重构出输入信号。仿真实验结果表明，当以15%的奈奎斯特采样速率对输入信号进行压缩采样时，重构信号的均方误差仅为10-5量级。这验证了该采样系统的可行性，有效解决了多陪集采样系统的两个难题。
中圖分類號(hào)： TN911
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.212221
中文引用格式： 黃振，柏正堯. 預(yù)調(diào)制多陪集采樣系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)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(shù)的不斷飛速發(fā)展，學(xué)者在研究信號(hào)處理的前沿領(lǐng)域取得了卓越成就，隨著對(duì)前沿信息技術(shù)探知的增加，雖然科技人員已研制出高性能的ADC，但現(xiàn)有最高采樣速率的ADC仍無(wú)法滿足學(xué)者們對(duì)更高頻率的信號(hào)頻譜及信號(hào)特征的研究，且采樣速率超過(guò)1 GHz的商用ADC價(jià)格非常昂貴[1]。針對(duì)具有稀疏特性的信號(hào)，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(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的采樣和壓縮同步進(jìn)行，并刪除了冗余信息，降低了數(shù)據(jù)運(yùn)算量，緩解了硬件壓力，然后再由重構(gòu)算法實(shí)現(xiàn)從低維的壓縮數(shù)據(jù)中重構(gòu)出輸入信號(hào)。

    目前，信號(hào)處理中的壓縮采樣系統(tǒng)[5-6]主要有隨機(jī)解調(diào)器(Random Demodulator，RD)[7]、多陪集采樣(Multi-Coset Sampling，MCS)[1，6-8]和調(diào)制寬帶轉(zhuǎn)換器(Modulated Wideband Converter，MWC)[1，6-7，9]3種采樣系統(tǒng)。RD是單通道多音頻模型的欠采樣，對(duì)輸入信號(hào)模型比較敏感，當(dāng)信號(hào)是非線譜信號(hào)時(shí)，重構(gòu)誤差和重構(gòu)計(jì)算量均較大，因此無(wú)法普遍適用于所有的寬帶信號(hào)[1]。MWC采樣系統(tǒng)是多通道均勻亞奈奎斯特采樣，隨著采樣系統(tǒng)通道數(shù)的增加，使得產(chǎn)生各通道上非相關(guān)偽隨機(jī)序列的難度成幾何倍數(shù)地增加，同時(shí)偽隨機(jī)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(guò)調(diào)整各通道上的時(shí)延實(shí)現(xiàn)頻域內(nèi)不同權(quán)值的頻譜裁剪，在硬件實(shí)現(xiàn)時(shí)各通道上的時(shí)延器很難產(chǎn)生理論中的理想時(shí)延，同時(shí)MCS在接收信號(hào)前未先進(jìn)行低通濾波，導(dǎo)致ADC的接收輸入模擬帶寬必須不小于輸入信號(hào)的模擬帶寬。




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作者信息：

黃  振，柏正堯

(云南大學(xué) 信息學(xué)院，云南 昆明650500)




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