本發(fā)明涉及雷達(dá)、電子偵察信號處理領(lǐng)域，尤其涉及一種無線電寬帶信號偵測方法及裝置。

背景技術(shù)：

天基、地基電子設(shè)備工作頻率不斷提高，對無線電信號偵察截獲設(shè)備的高頻段偵測能力提出了新需求。需要解決高頻段、大帶寬、低噪聲、高靈敏度、大動態(tài)范圍的寬帶信號接收、存儲與信號分析等方面技術(shù)難題，為拓展無線電信號偵測頻段、提升偵測能力奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

無線電偵測對象可以是地面、空中或空間的輻射源，系統(tǒng)偵測頻帶范圍達(dá)40-110GHz(或以上)，瞬時測頻帶寬大于8GHz，常規(guī)接收機(jī)中頻輸出帶寬受限于ADC的最高采樣率和接收機(jī)動態(tài)靈敏度設(shè)計難度，很難有進(jìn)一步改善的空間，比如在一個四陣元電子偵察接收機(jī)中，中頻輸出帶寬為500MHz，一顆采樣率為5GHz的高速ADC，配置成4個并行ADC(每個采樣率為1.25GHz)，分別對接收機(jī)4路中頻輸出信號采樣，在滿足兩倍帶寬采樣率下可以正常工作，同步能夠得到保證，然而要想進(jìn)一步采樣更高帶寬信號，不僅要求接收機(jī)動態(tài)范圍更大和靈敏度更高，而且必須采用多顆高速ADC并行采樣，同時對ADC的動態(tài)范圍提出了更加苛刻的要求，可是，在高速電路設(shè)計中ADC芯片間同步也很難得到保證，常規(guī)接收機(jī)微波器件性能和指標(biāo)在短期內(nèi)難有突破。總之，一系列技術(shù)難題很難同時取得突破。

實(shí)際上最理想的方案應(yīng)該是直接對寬帶信號進(jìn)行射頻采樣，目前的軟件無線電系統(tǒng)針對的射頻信號帶寬較窄，均在ADC采樣率范圍內(nèi)，所以可以直接采樣，而對于帶寬跨越幾十個GHz，瞬時帶寬達(dá)幾個GHz的無線電信號來說，傳統(tǒng)的直接射頻采樣方案無法實(shí)施。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明提供了一種無線電寬帶信號偵測方法及裝置，節(jié)約了系統(tǒng)成本和功耗，保證了較多的ADC有效位數(shù)，進(jìn)一步提高了數(shù)據(jù)測量精度。

本發(fā)明具有如下有益效果：

(1)本發(fā)明的無線電寬帶信號偵測方法，采用分頻段的設(shè)計思路，對各頻段內(nèi)射頻信號進(jìn)行頻率域壓縮感知后再進(jìn)行采樣，很大程度上降低了采樣率，節(jié)約了系統(tǒng)成本和功耗，保證了較多的ADC有效位數(shù)，進(jìn)一步提高了數(shù)據(jù)測量精度，為信號存儲和進(jìn)一步分析提供了更好方案，避免了多片ADC并行采樣要求的嚴(yán)格時序同步問題；同時使得原來針對窄帶信號的信號重構(gòu)算法可分別應(yīng)用于各子頻帶中進(jìn)行求解，

(2)本發(fā)明構(gòu)建的頻率域壓縮感知裝置，解決了高頻段、大帶寬、低噪聲、高靈敏度和大動態(tài)范圍內(nèi)對寬帶無線電信號接收等方面技術(shù)難題。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的無線電寬帶信號偵測方法流程圖。

圖2為本發(fā)明的壓縮感知測量矩陣的硬件實(shí)現(xiàn)裝置原理圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖并舉實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。

本發(fā)明可以解決高頻段、大帶寬、低噪聲、高靈敏度和大動態(tài)范圍內(nèi)寬帶無線電信號偵收、采樣、存儲、信道化與信號分析等方面技術(shù)難題。

盡管無線電信號帶寬跨越了幾十個GHz，不僅有雷達(dá)信號、通信信號還有測控信號和導(dǎo)彈遙測信號等，每一種信號特點(diǎn)、用途都不一樣，決定了天線型式、信號處理復(fù)雜度以及覆蓋頻段都不一樣，所以需要科學(xué)合理的分頻段設(shè)計方案，并且每個子頻帶均表現(xiàn)出頻率稀疏性特征，為壓縮感知應(yīng)用創(chuàng)造了條件，這樣的條件使得ADC無需滿足兩倍帶寬的帶通采樣定理，即可以較低采樣率并以高概率重構(gòu)原始頻域稀疏信號，稀疏度的確立需要相關(guān)的先驗(yàn)知識，與具體的應(yīng)用背景有關(guān)，不在本發(fā)明的覆蓋范圍之內(nèi)。

假設(shè)無線電寬帶信號在頻域稀疏度K已知，頻域稀疏度不僅是分頻段設(shè)計的依據(jù)，也是構(gòu)建壓縮感知測量矩陣的依據(jù)，本發(fā)明提出一種天線分頻段設(shè)計方法和壓縮感知測量矩陣實(shí)現(xiàn)方案。其工作流程如下：首先根據(jù)應(yīng)用背景不同，對無線電寬帶信號進(jìn)行頻帶劃分，分成P個子頻帶，每個子頻帶寬由一個目標(biāo)函數(shù)決定，然后不同頻率的寬帶無線電信號從對應(yīng)的子頻帶天線單元輸入，經(jīng)過子頻帶壓縮感知測量矩陣進(jìn)行乘加運(yùn)算后，輸出新的射頻信號，再進(jìn)行ADC采樣，降低采樣率，經(jīng)過數(shù)字接收機(jī)后，最后進(jìn)行頻域稀疏信號重構(gòu)，同步完成了信道化處理。

無線電寬帶信號偵測對象包括雷達(dá)信號、通信信號、導(dǎo)彈遙測信號以及測控信號等，在不同的覆蓋區(qū)域，這些信號在頻域稀疏度K均有所不同，這就要求分頻段設(shè)計方法靈活而且在某種意義上達(dá)到最優(yōu)。

假設(shè)無線電寬帶信號偵測帶寬為B，這個量級已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出商業(yè)最高等級的ADC采樣率，所以ADC無法直接對整個寬帶信號進(jìn)行采樣，必須采用分頻段設(shè)計，假設(shè)帶寬B分為P個子頻帶，而且B₁+B₂+…+B_P＝B，為解決最優(yōu)分配帶寬B給每個子頻帶，本發(fā)明的要求是：首先，保證噪聲要小，同時，信號重構(gòu)的準(zhǔn)確度要高，最后，在各個子頻帶內(nèi)信號重構(gòu)復(fù)雜度盡量接近，因?yàn)樵跓o線寬帶信號偵測帶寬內(nèi)，信號變化很快，同步重構(gòu)信號非常關(guān)鍵，以常用的迭代賦值重構(gòu)算法(Iterative Shrinkage/Thresholding Algorithm，IST)為例說明，其它算法的設(shè)計思想與之類似，在每個子頻帶內(nèi)，IST算法計算復(fù)雜度為O(2M_iN_i)∝O(2K_iN_i)，M_i為第i個子頻帶觀測矩陣行向量維數(shù)，N_i為第i個子頻帶觀測矩陣列向量維數(shù)，K_i為第i個子頻帶頻域稀疏度，K_i∝B_i，且B_i＝w_iB，w_i為帶寬分配權(quán)重，所以滿足O(2K_iN_i)∝O(2w_iBN_i)，令則約束優(yōu)化方程為

方程(1)的目標(biāo)函數(shù)是一個有約束非光滑凸優(yōu)化問題，常用凸松弛算法比如梯度投影稀疏重構(gòu)算法求解。利用Lagrangian乘子法，將不等式約束l₁-范數(shù)最小化問題變成無約束優(yōu)化問題，令

則無約束優(yōu)化方程為

$\underset{(X,w,\mathrm{\λ},\mathrm{\α})}{\min }L(X,w,\mathrm{\λ},\mathrm{\α})---\left(2\right)$

式(2)中λ_i＞0是正則化參數(shù)，用于平衡信號稀疏度和信號重構(gòu)精度。X表示采樣信號，w表示子頻帶間的復(fù)雜度差別權(quán)重，λ表示信號重構(gòu)的準(zhǔn)確度，分別用來確定頻域信號位置、大小以及每個子頻帶帶寬。不同的用戶對于噪聲敏感度、子頻帶間信號重構(gòu)復(fù)雜度差別以及信號重構(gòu)準(zhǔn)確度的要求不同，則最后確定的子頻帶的帶寬也不同。

根據(jù)以上描述的問題，本發(fā)明公開了一種無線電寬帶信號偵測方法，如圖1所示，第i個子頻帶覆蓋了f_i，L-f_i，H帶寬，假設(shè)每個子頻帶接收系統(tǒng)由n個天線單元構(gòu)成。在某時刻t，輸入到第i個子頻帶的n個天線單元的信號分別表示為x_i，1(t)，x_i，2(t)，…，x_i，n(t)，分別進(jìn)入各自的壓縮感知測量矩陣。圖1中測量矩陣采用LDPC校驗(yàn)碼矩陣實(shí)現(xiàn)，LDPC校驗(yàn)碼矩陣滿足了：1)RIP等距約束性條件；2)與傅里葉變換稀疏基不相干；3)具有很大稀疏性，后端譯碼復(fù)雜度低；4)LDPC碼是二進(jìn)制確定性編碼結(jié)構(gòu)，模擬元件搭建簡單，“0”狀態(tài)為電子線路關(guān)閉狀態(tài)，“1”狀態(tài)為電子線路導(dǎo)通狀態(tài)。從圖1中可以看到，由于在各個子頻帶內(nèi)，無線電寬帶信號在頻域內(nèi)是稀疏的，經(jīng)過由LDPC校驗(yàn)碼矩陣和加法器構(gòu)建的壓縮感知測量矩陣后，完成了模擬射頻壓縮信號的輸出，進(jìn)行ADC采樣(此時采樣率已經(jīng)降低)，實(shí)現(xiàn)了無線電寬帶信號在各個子頻帶內(nèi)的射頻直接采樣，信號重構(gòu)實(shí)現(xiàn)了各個子頻帶內(nèi)信號的信道化處理，變?yōu)榛鶐盘栕鲞M(jìn)一步處理。

在圖1中，第i個子頻帶帶寬為B_i＝f_i，H-f_i，L，正常情況下ADC采樣率至少要滿足帶通采樣定理，即R_i≥2B_i，R_i為采樣率。假設(shè)采樣時間為T_i，沒有經(jīng)過壓縮采樣的ADC采樣點(diǎn)個數(shù)為N_i＝R_iT_i，信號的稀疏度為K_i，則測量矩陣行向量必須滿足M_i≥cK_ilog(N_i/K_i)≈3K_i，這樣構(gòu)建的LDPC校驗(yàn)碼測量矩陣為測量矩陣設(shè)計包括矩陣維數(shù)大小設(shè)計及矩陣中元素生成兩個方面，要讓信號長度、采樣數(shù)量以及原始信號稀疏度三者滿足特定關(guān)系，才能使壓縮感知系統(tǒng)最經(jīng)濟(jì)又能以高概率精確重構(gòu)稀疏信號。

假設(shè)從第i個子頻帶內(nèi)第j個天線單元輸入的射頻模擬信號為x_i，j(t)，i＝1，…，P；j＝1，…，n，則經(jīng)過LDPC測量矩陣和加法器后，輸出的射頻模擬信號為y_i，j(t)＝Ax_i，j(t)，ADC采樣后，得到在T_i時間間隔內(nèi)的M_i個樣本，經(jīng)過壓縮采樣后的ADC采樣率為M_i/T_i，與沒有經(jīng)過壓縮采樣的ADC采樣率相比，經(jīng)過壓縮采樣后的ADC采樣率是原來的M_i/N_i倍，為無線電寬帶信號偵測提供了可行性方案。

本發(fā)明還構(gòu)建了以LDPC校驗(yàn)碼測量矩陣和加法器為壓縮感知測量矩陣的硬件方案，如圖2所示，分別對應(yīng)于圖1中LDPC矩陣、加法器和ADC模塊。LDPC二元測量矩陣由衰減器(“0”狀態(tài)為衰減器最大衰減檔位，“1”狀態(tài)為衰減器全導(dǎo)通檔位，即沒有衰減時的檔位)或者移相器構(gòu)成(零相位移相器構(gòu)成“1”，即e^j0＝1，兩個背靠背正相和反相移相器構(gòu)成“0”，即e^j0+e^jπ＝0)。

在圖2中，射頻模擬信號x_i，j(t)并行輸入到M_i×N_i個由衰減器(或移相器)構(gòu)成的LDPC測量矩陣中，衰減器(或移相器)充當(dāng)電子掩膜的作用，實(shí)現(xiàn)乘法功能，經(jīng)過每一個N_i維電子掩膜后的射頻模擬信號“聚焦”功能是通過圖2第一個加法器實(shí)現(xiàn)，這個過程在數(shù)學(xué)上實(shí)現(xiàn)了一個向量之間內(nèi)積運(yùn)算，射頻模擬信號x_i，j(t)經(jīng)過M_i個N_i維電子掩膜后的射頻模擬信號通過圖2中最右邊第二個加法器實(shí)現(xiàn)了壓縮感知測量矩陣射頻信號的總體“聚焦”，這一過程產(chǎn)生了一個新的射頻信號y_i，j(t)＝Ax_i，j(t)。實(shí)際上整個過程的原理是使射頻模擬信號x_i，j(t)在頻域上的稀疏分量均勻彌散在一個完備的字典A中，也就是將信號所包含信息全部保留下來，在后續(xù)的信號重構(gòu)中，可以完整地恢復(fù)出信號在稀疏域中所有稀疏分量。經(jīng)過ADC采樣后變?yōu)閥_i，j[k]，k＝1，…，M_i，減少了采樣率，從而利用存儲和進(jìn)一步分析。

綜上所述，以上僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。