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，对各频段内射频信号进行频率域
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+…+BP＝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(2MiNi)∝O(2KiNi)，Mi为第i个子频带
观测矩阵行向量维数，Ni为第i个子频带观测矩阵列向量维数，Ki为第i个子频带频域稀疏度，Ki∝Bi，且Bi＝wiB，wi为带宽分配权重，所以满足O(2KiNi)∝O(2wiBNi)，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fi，L-fi，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xi，1(t)，xi，2(t)，…，xi，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Bi＝fi，H-fi，L，正常情况下ADC采样率至少要满足带通采样定理，即Ri≥2Bi，Ri为采样率。假设采样时间为Ti，没有经过压缩采样的ADC采样点个数为Ni＝RiTi，信号的稀疏度为Ki，则测量矩阵行向量必须满足Mi≥cKilog(Ni/Ki)≈3Ki，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xi，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yi，j(t)＝Axi，j(t)，ADC采样后，得到在Ti时间间隔内的Mi个样本，经过压缩采样后的ADC采样率为Mi/Ti，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Mi/Ni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ej0＝1，两个背靠背正相和反
相移相器构成“0”，即ej0+ejπ＝0)。
[0027] 在图2中，射频模拟信号xi，j(t)并行输入到Mi×Ni个由衰减器(或移相器)构成的LDPC测量矩阵中，衰减器(或移相器)充当电子掩膜的作用，实现乘法功能，经过每一个Ni维电子掩膜后的射频模拟信号“聚焦”功能是通过图2第一个加法器实现，这个过程在数学上实现了一个向量之间内积运算，射频模拟信号xi，j(t)经过Mi个Ni维电子掩膜后的射频模拟信号通过图2中最右边第二个加法器实现了压缩感知测量矩阵射频信号的总体“聚焦”，这一过程产生了一个新的射频信号yi，j(t)＝Axi，j(t)。实际上整个过程的原理是使射频模拟信号xi，j(t)在频域上的稀疏分量均匀弥散在一个完备的字典A中，也就是将信号所包含信息全部保留下来，在后续的信号重构中，可以完整地恢复出信号在稀疏域中所有稀疏分量。经过ADC采样后变为yi，j[k]，k＝1，…，Mi，减少了采样率，从而利用存储和进一步分析。
[0028] 综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何
修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
