(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201610435299.2
(22)申请日 2016.06.07
(71)申请人 烟台大学文经学院
地址 264005 山东省烟台市莱山区港城东
大街100号
(72)发明人 吴日恒 宋宜斌
(51)Int.Cl.
H04B 17/10(2015.01)
(54)发明名称一种无线电宽带信号侦测方法及装置(57)摘要本发明公开了一种无线电宽带信号侦测方法，提供了一种无线电宽带信号侦测分频段设计方法以及压缩感知测量矩阵物理实现方法，解决了高频段、大带宽、低噪声、高灵敏度和大动态范围内对宽带无线电信号侦测等方面技术难题。无线电宽带信号侦测分频段设计方法利用了子频带宽带无线电信号在频域的稀疏性特点以及不同子频带之间重构算法复杂度尽量接近的思路构建了优化目标函数。采用LDPC校验码矩阵开关在物理上实现了压缩感知测量矩阵，这种方案可以用于通信、雷达、测控以及导弹遥测宽带信号侦察一体化、认知电子战等领域，本发明属于新方法、新原理发明范畴，涉及信号处理、优化等领 域。权利要求书1页 说明书4页 附图1页CN 106130662 A 2016.11.16
C N 106130662
A
1.一种无线电宽带信号侦测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、将接收系统接收的无线电宽带信号的频带宽度划分为p个子频带；其中，各子频带带宽根据实际需求确定；
步骤2、令p个子频带中的第i个子频带中接收系统接收到的射频信号路数用n i 表示，其中i＝1，2，…，
p；针对第i个子频带中的各路射频信号，分别进行频率域压缩感知处理，得到频率压缩后的n i 路射频信号；其中，采用具有行向量为M i ，列向量为N i 的频率域压缩感知测量矩阵进行频率压缩，M i ≈3K i ，K i 为目标在第i个子频带中内的稀疏度；N i 为接收系统要求的在采样时间内的采样个数；
步骤3、针对步骤2得到的频率压缩后的n i 路射频信号分别进行采样；然后采用接收机对n i 路射频信号进行接收；
步骤4、对步骤3接收的n i 路射频信号分别进行信号重构，信号重构得到了信号在频域的稀疏分布谱图，实现无线电宽带信号的侦测。
2.如权利要求1所述的一种无线电宽带信号侦测方法，其特征在于，所述子频带的宽度可以是均匀的，也可以是非均匀的。
3.如权利要求1所述的一种无线电宽带信号侦测方法，其特征在于，所述信号重构采用梯度投影稀疏重构算法求解。
4.如权利要求1所述的一种无线电宽带信号侦测方法，其特征在于，各子频带带宽根据用户对噪声敏感程度、子频带间信号重构复杂度差异以及信号重构准确度的要求确定。
权 利 要 求 书1/1页CN 106130662 A
一种无线电宽带信号侦测方法及装置
技术领域
[0001]本发明涉及雷达、电子侦察信号处理领域，尤其涉及一种无线电宽带信号侦测方法及装置。
背景技术
[0002]天基、地基电子设备工作频率不断提高，对无线电信号侦察截获设备的高频段侦测能力提出了新需求。需要解决高频段、大带宽、低噪声、高灵敏度、大动态范围的宽带信号接收、存储与信号分析等方面技术难题，为拓展无线电信号侦测频段、提升侦测能力奠定技术基础。
[0003]无线电侦测对象可以是地面、空中或空间的辐射源，系统侦测频带范围达40-110GHz(或以上)，瞬时测频带宽大于8GHz，常规接收机中频输出带宽受限于ADC的最高采样率和接收机动态灵敏度设计难度，很难有进一步改善的空间，比如在一个四阵元电子侦察接收机中，中频输出带宽为500MHz，一颗采样率为5GHz的高速ADC，配置成4个并行ADC(每个采样率为1.25GHz)，分别对接收机4路中频输出信号采样，在满足两倍带宽采样率下可以正常工作，同步能够得到保证，然而要想进一步采样更高带宽信号，不仅要求接收机动态范围更大和灵敏度更高，而且必须采用多颗高速ADC并行采样，同时对ADC的动态范围提出了更加苛刻的要求，可是，在高速电路设计中ADC芯片间同步也很难得到保证，常规接收机微波器件性能和指标在短期内难有突破。总之，一系列技术难题很难同时取得突破。
[0004]实际上最理想的方案应该是直接对宽带信号进行射频采样，目前的软件无线电系统针对的射频信号带宽较窄，均在ADC采样率范围内，所以可以直接采样，而对于带宽跨越几十个GHz，瞬时带宽达几个GHz的无线电信号来说，传统的直接射频采样方案无法实施。
发明内容
[0005]有鉴于此，本发明提供了一种无线电宽带信号侦测方法及装置，节约了系统成本和功耗，保证了较多的ADC有效位数，进一步提高了数据测量精度。
[0006]本发明具有如下有益效果：
[0007](1)本发明的无线电宽带信号侦测方法，采用分频段的设计思路，对各频段频信号进行频率域压缩感知后再进行采样，很大程度上降低了采样率，节约了系统成本和功耗，保证了较多的ADC有效位数，进一步提高了数据测量精度，为信号存储和进一步分析提供了更好方案，避免了多片ADC并行采样要求的严格时序同步问题；同时使得原来针对窄带信号的信号重构算法可分别应用于各子频带中进行求解，
[0008](2)本发明构建的频率域压缩感知装置，解决了高频段、大带宽、低噪声、高灵敏度和大动态范围内对宽带无线电信号接收等方面技术难题。
附图说明
[0009]图1为本发明的无线电宽带信号侦测方法流程图。
[0010]图2为本发明的压缩感知测量矩阵的硬件实现装置原理图。
具体实施方式
[0011]下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
[0012]本发明可以解决高频段、大带宽、低噪声、高灵敏度和大动态范围内宽带无线电信号侦收、采样、存储、信道化与信号分析等方面技术难题。
[0013]尽管无线电信号带宽跨越了几十个GHz，不仅有雷达信号、通信信号还有测控信号和导弹遥测信号等，每一种信号特点、用途都不一样，决定了天线型式、信号处理复杂度以及覆盖频段都不一样，所以需要科学合理的分频段设计方案，并且每个子频带均表现出频率稀疏性特征，为压缩感知应用创造了条件，这样的条件使得ADC无需满足两倍带宽的带通采样定理，即可以较低采样率并以高概率重构原始频域稀疏信号，稀疏度的确立需要相关的先验知识，与具体的应用背景有关，不在本发明的覆盖范围之内。
[0014]假设无线电宽带信号在频域稀疏度K已知，频域稀疏度不仅是分频段设计的依据，也是构建压缩感知测量矩阵的依据，本发明提出一种天线分频段设计方法和压缩感知测量矩阵实现方案。其工作流程如下：首先根据应用背景不同，对无线电宽带信号进行频带划分，分成P个子频带，每个子频带宽由一个目标函数决定，然后不同频率的宽带无线电信号从对应的子频带天线单元输入，经过子频带压缩感知测量矩阵进行乘加运算后，输出新的射频信号，再进行ADC采样，降低采样率，经过数字接收机后，最后进行频域稀疏信号重构，同步完成了信道化处理。
[0015]无线电宽带信号侦测对象包括雷达信号、通信信号、导弹遥测信号以及测控信号等，在不同的覆盖区域，这些信号在频域稀疏度K均有所不同，这就要求分频段设计方法灵活而且在某种意义上达到最优。
[0016]假设无线电宽带信号侦测带宽为B，这个量级已经远远超出商业最高等级的ADC采样率，所以ADC无法直接对整个宽带信号进行采样，必须采用分频段设计，假设带宽B分为P 个子频带，而且B1+B2+…+B P＝B，为解决最优分配带宽B给每个子频带，本发明的要求是：首先，保证噪声要小，同时，信号重构的准确度要高，最后，在各个子频带内信号重构复杂度尽量接近，因为在无线宽带信号侦测带宽内，信号变化很快，同步重构信号非常关键，以常用的迭代赋值重构算法(Iterative Shrinkage/Thresholding Algorithm，IST)为例说明，其它算法的设计思想与之类似，在每个子频带内，IST算法计算复杂度为O(2M i N i)∝O(2K i N i)，M i为第i个子频带观测矩阵行向量维数，N i为第i个子频
带观测矩阵列向量维数，K i为第i个子频带频域稀疏度，K i∝B i，且B i＝w i B，w i为带宽分配权重，所以满足O(2K i N i)∝O(2w i BN i)，
令则约束优化方程为
[0017]
[0018]方程(1)的目标函数是一个有约束非光滑凸优化问题，常用凸松弛算法比如梯度投影稀疏重构算法求解。利用Lagrangian乘子法，将不等式约束l1-范数最小化问题变成无
约束优化问题，令
[0019]
[0020]则无约束优化方程为
[0021]
[0022]式(2)中λi＞0是正则化参数，用于平衡信号稀疏度和信号重构精度。X表示采样信号，w表示子频带间的复杂度差别权重，λ表示信号重构的准确度，分别用来确定频域信号位置、大小以及每个子频带带宽。不同的用户对于噪声敏感度、子频带间信号重构复杂度差别以及信号重构准确度的要求不同，则最后确定的子频带的带宽也不同。
[0023]根据以上描述的问题，本发明公开了一种无线电宽带信号侦测方法，如图1所示，第i个子频带覆
盖了f i，L-f i，H带宽，假设每个子频带接收系统由n个天线单元构成。在某时刻t，输入到第i个子频带的n个天线单元的信号分别表示为x i，1(t)，x i，2(t)，…，x i，n(t)，分别进入各自的压缩感知测量矩阵。图1中测量矩阵采用LDPC校验码矩阵实现，LDPC校验码矩阵满足了：1)RIP等距约束性条件；2)与傅里叶变换稀疏基不相干；3)具有很大稀疏性，后端译码复杂度低；4)LDPC码是二进制确定性编码结构，模拟元件搭建简单，“0”状态为电子线路关闭状态，“1”状态为电子线路导通状态。从图1中可以看到，由于在各个子频带内，无线电宽带信号在频域内是稀疏的，经过由LDPC校验码矩阵和加法器构建的压缩感知测量矩阵后，完成了模拟射频压缩信号的输出，进行ADC采样(此时采样率已经降低)，实现了无线电宽带信号在各个子频带内的射频直接采样，信号重构实现了各个子频带内信号的信道化处理，变为基带信号做进一步处理。
[0024]在图1中，第i个子频带带宽为B i＝f i，H-f i，L，正常情况下ADC采样率至少要满足带通采样定理，即R i≥2B i，R i为采样率。假设采样时间为T i，没有经过压缩采样的ADC采样点个数为N i＝R i T i，信号的稀疏度为K i，则测量矩阵行向量必须满足M i≥cK i log(N i/K i)≈3K i，这
样构建的LDPC校验码测量矩阵为测量矩阵设计包括矩阵维数大小设计及矩阵中元素生成两个方面，要
让信号长度、采样数量以及原始信号稀疏度三者满足特定关系，才能使压缩感知系统最经济又能以高概率精确重构稀疏信号。
[0025]假设从第i个子频带内第j个天线单元输入的射频模拟信号为x i，j(t)，i＝1，…，P；j＝1，…，n，则经过LDPC测量矩阵和加法器后，输出的射频模拟信号为y i，j(t)＝Ax i，j(t)，ADC采样后，得到在T i时间间隔内的M i个样本，经过压缩采样后的ADC采样率为M i/T i，与没有经过压缩采样的ADC采样率相比，经过压缩采样后的ADC采样率是原来的M i/N i倍，为无线电宽带信号侦测提供了可行性方案。
[0026]本发明还构建了以LDPC校验码测量矩阵和加法器为压缩感知测量矩阵的硬件方案，如图2所示，分别对应于图1中LDPC矩阵、加法器和ADC模块。LDPC二元测量矩阵由衰减器(“0”状态为衰减器最大衰减档位，“1”状态为衰减器全导通档位，即没有衰减时的档位)或者移相器构成(零相位移相器构成“1”，即e j0＝1，两个背靠背正相和反相移相器构成“0”，即e j0+e jπ＝0)。
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