[发明专利]调制宽带转换器采样系统中的宽带频谱感知方法

说明书

技术领域

本发明涉及无线通信领域，特别涉及调制宽带转换器采样系统中的宽带频谱感知方法。

技术背景

由于认知无线电是以次用户的方式使用频谱，因此在通信建立之前它需要在宽频段内寻找未被主用户占用的频谱空穴，此问题即为宽带频谱感知问题。在现有技术中，宽带频谱感知问题有多种解决方式。例如，在一种方式中，在模拟前端采用一个可调谐的窄带滤波器，然后通过调谐窄带滤波器来完成对整个频段的搜索检测，但是这种方式会导致较长的感知延迟。为提高搜索效率，在另一种方式中可以采用窄带滤波器组一次完成对整个感知频段的分析，但是这增加了硬件实现复杂度。还有一种折衷方案是采用宽频段高速模数转换器(analog-to-digital converter，ADC)对整个感知频段进行采样，然后在数字域完成频谱空穴的检测判决。这种方式具备很强的感知实时性，但是由于ADC的采样频率有限，在Nyquist采样理论下，过高的感知频段可能会超出目前ADC所能承受的采样频率。

随着压缩感知技术的发展，研究人员提出了以低于Nyquist速率的采样速率对模拟信号进行采样的方法，这些方法被称为子Nyquist(sub-Nyquist)采样方法。目前已提出的子Nyquist采样方法主要包括周期非均匀采样、Nyquist折叠系统、随机解调器采样和调制宽带转换器采样(modulated wideband converter，MWC)。Mishali等人在参考文献1“Xampling：Analog to digital at sub-Nyquist rates；IET Circuits，Devices & Systems，vol.5，no.1，pp.8-20，2011”中详细比较了这几种子Nyquist采样方法，从比较结果可以看出，相比于其他方法，调制宽带转换器采样具有与实际信号匹配、计算复杂度较低、可实现性高的优点。

图1为调制宽带转换器的原理框图。具体来讲，信号x(t)同时输入m个通道。在第i个通道，信号x(t)与周期为T_p的混频函数相乘，接着通过一个截止频率为1/(2T_s)的低通滤波器，滤波后的信号以1/T_s的速率进行采样，得到采样序列y_i[n]。由于1/T_s足够小，所以现有的商用ADC能用来完成采样过程。另外，该采样系统的一个重要特点就是m个通道的采样速率之和仍远小于Nyquist采样率，即mf_s＜＜f_NYQ(其中，f_s为调制宽带转换器采样每一个通道的采样频率，f_NYQ为Nyquist采样率)，即MWC是一种子Nyquist采样方法。而且，通道数目和单个通道的采样速率可以互换，这对降低硬件实现复杂度非常有利。

现在来分析采样序列y_i[n]与输入到调制宽带转换器中的未知信号x(t)之间的关系。令f_p＝1/T_p(f_p为调制宽带转换器采样混频函数周期的倒数)，f_s＝1/T_s，由f_s与f_p可设定如下两个区间：F_p＝[-f_p/2，+f_p/2]，F_s＝[-f_s/2，+f_s/2]。考虑第i个通道。由于p_i(t)是周期信号，所以其Fourier展开式为：