基于压缩采样的信号接收方法及其实现研究

发布时间：2017-06-30 07:05

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【摘要】：随着信息技术的飞速发展,电磁空间日益拥挤,为了满足更多业务需求,无线射频信号传输的频率也越来越高。在认知无线电和宽带侦察接收机等领域,高频传输导致传统的奈奎斯特采样系统需要极高的采样频率,商用的模数转换器件已经难以满足要求。针对此问题,本文基于调制宽带转换器的理论框架,研究并实现了一个基于压缩采样的信号接收系统。该系统可以实现以较低的采样率无失真采样稀疏多频带信号,并且在FPGA芯片内实时重构子频带信号,对压缩采样技术的实际应用具有一定的现实意义。首先,本文调研了目前压缩采样技术的研究进展,选择了硬件实现度较高的调制宽带转换器作为研究对象。在研究了调制宽带转换器的相关原理之后,本文研究了调制宽带转换器框架下多种重构算法,提出了一种改进的MMV-MOMP算法,针对3种实现度较高的重构算法进行了性能仿真和对比分析。同时,本文还对基于压缩采样的波形恢复原理和载波估计算法进行了相关的研究和仿真。然后,在理论研究和仿真实验的基础上,本文提出了压缩采样硬件系统的整体实现方案和关键指标,研制了一个8通道的压缩采样硬件系统,主要包含一个CPCI机箱、8通道高速随机序列产生模块、8通道高速混频模块、8通道基带数据处理模块、主机板。本文选择了MMV-OMP算法来作为硬件系统的实时重构算法。基于Xlinx的Xc6vlx475t FPGA芯片,本文提出了整个压缩采样系统后端数字信号处理过程的定点实现方案,并给出了每个模块设计细节。除此之外,本文还开发了上位机软件,可以对原始稀疏多频带信号进行波形恢复并跟踪显示其波形和频谱。最后,本文对硬件系统的每个模块做了详细的测试分析以及功能验证,保证了系统每个模块的功能正确性。整个压缩采样硬件系统调试完成后,该系统可以处理稀疏多频带信号的模拟带宽为2GHz,包含3个子频带信号,并且可以在上位机软件上跟踪显示时变的稀疏多频带信号的波形和频谱。本系统的处理带宽在原有系统的1GHz处理带宽基础上有所提高,而且系统参数配置更加灵活。
【关键词】：压缩采样 调制宽带转换器 重构算法 载波估计 MMV-OMP
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN911.7
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-15
• 第一章 绪论15-21
• 1.1 课题研究背景和意义15-16
• 1.2 国内外研究动态16-19
• 1.2.1 模拟信息转换器研究动态16-18
• 1.2.2 压缩采样中信号重构算法的VLSI实现研究动态18-19
• 1.3 作者主要研究工作19-20
• 1.4 论文结构安排20-21
• 第二章 MWC压缩采样原理介绍21-30
• 2.1 压缩采样及信号重构原理21-26
• 2.1.1 稀疏多频带信号模型21-22
• 2.1.2 MWC采样电路22-24
• 2.1.3 通道扩展原理24-25
• 2.1.4 信号重构原理25-26
• 2.2 经典的压缩采样信号重构算法分类介绍26-29
• 2.2.1 最小l_1范数算法26-27
• 2.2.2 匹配追踪类算法27-28
• 2.2.3 迭代阈值类算法28-29
• 2.2.4 梯度类算法29
• 2.2.5 其他类算法29
• 2.3 本章小结29-30
• 第三章 MWC中信号重构算法和载波估计算法研究30-47
• 3.1 MWC系统中适用的信号重构算法30-34
• 3.1.1 MMV-正交匹配追踪算法30-31
• 3.1.2 MMV-共轭梯度追踪算法31-33
• 3.1.3 MMV-改进的正交匹配追踪算法33-34
• 3.1.4 三种算法复杂度对比分析34
• 3.2 MWC系统中核心重构算法性能仿真实验34-40
• 3.2.1 理想Sinc波形信号环境下重构算法性能比较34-36
• 3.2.2 QPSK信号信号环境下重构算法性能比较36-38
• 3.2.3 线性调频脉冲信号环境下重构算法性能比较38-39
• 3.2.4 重构算法与信噪比关系仿真39-40
• 3.3 波形恢复原理及仿真实验40-43
• 3.4 MWC系统中子频带载波估计算法研究及实验仿真43-46
• 3.4.1 MWC系统中子频带载波估计算法43-45
• 3.4.2 MWC系统中载波估计算法仿真实验45-46
• 3.5 本章小结46-47
• 第四章 MWC压缩采样系统的设计与实现47-68
• 4.1 MWC压缩采样系统设计47-49
• 4.1.1 MWC系统参数选取47
• 4.1.2 MWC压缩采样系统整体方案设计47-49
• 4.2 压缩采样中信号重构的FPGA实现49-64
• 4.2.1 通道扩展模块实现49-52
• 4.2.2 框架矩阵构造模块实现52-53
• 4.2.3 残差矩阵更新模块实现53-55
• 4.2.4 矩阵相关模块实现55-57
• 4.2.5 支撑集匹配模块实现57-59
• 4.2.6 矩阵伪逆模块实现59-62
• 4.2.7 信号重构模块实现62-64
• 4.3 CPCI接口时序设计64-66
• 4.4 上位机频谱显示软件设计66-67
• 4.5 本章小结67-68
• 第五章 压缩采样硬件系统的调试与分析68-86
• 5.1 压缩采样硬件系统整体测试环境68-69
• 5.2 高速随机序列产生模块测试69-71
• 5.3 高速混频模块测试71-75
• 5.3.1 输入信号为单音信号时混频功能测试71-73
• 5.3.2 输入信号为宽带信号时混频功能测试73-75
• 5.4 多通道基带数据处理模块测试75-79
• 5.5 感知矩阵测定79-81
• 5.6 实时信号重构测试81-85
• 5.6.1 稀疏多频带信号包含2个信号时信号重构测试81-84
• 5.6.2 稀疏多频带信号包含3个信号时信号重构测试84-85
• 5.7 本章小结85-86
• 第六章 总结与展望86-88
• 6.1 主要工作与创新点86-87
• 6.1.1 主要工作86
• 6.1.2 创新点86-87
• 6.2 研究展望87-88
• 致谢88-89
• 参考文献89-95
• 攻读硕士学位期间的研究成果95

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本文编号：500955