[发明专利]一种基于多通道压缩采样的宽带功率谱估计方法

说明书

技术领域

本发明涉及通信信号处理技术领域，特别是涉及一种基于多通道压缩采样的宽带功率谱估计方法。

背景技术

随着各种无线通信业务的应用，对于高速的数据通信的需求使得频谱资源变得紧缺，但是现有的无线通信系统均采用固定信道分配的策略，使得频谱利用率低下。使用动态接入方式的认知无线电技术使得频谱得到充分利用，其关键技术之一便是频谱感知，在很大的频带范围内识别出没有利用的频段，以供非授权的二级用户动态无线接入，提高实际频谱的利用率。

根据奈奎斯特采样定律，为了能够感知整个宽频带信号，模拟前端使用的模拟/数字转换器的采样频率至少是原始信号最大频率的两倍，在实际应用中采样频率会远高于奈奎斯特采样频率，对于检测宽频谱的系统，需要模拟前端具有较高的采样能力，使得现有的硬件条件难以实现，同时会导致较高的功耗。

目前大多频谱感知技术基于窄带或者单信道场景，但随着无线传输需求对带宽的增加，需要设备具有感知宽频带的能力。在实际环境中，分配到频谱使用权的授权用户只在一部分时间工作，这使得整个宽带的信号具有很大的频域稀疏性。近年来出现的压缩感知理论以信号的稀疏性为前提，利用压缩采样技术，可以通过少量非自适应线性测量值对稀疏信号进行重构，在无线信号只有少量频带被占用的前提下，系统可以以远低于奈奎斯特采样速率的采样频率对信号进行采样，并且采样的信号能够保留原始信号的信息。

但是目前基于压缩采样的频谱感知算法存在以下问题：1).利用凸优化，贪婪算法等方法实现信号的恢复往往复杂度极高，导致频谱感知时间长，硬件开销大。2).目前的恢复方法一般需要知道信号在频域的稀疏度。然而在动态变化的频谱接入环境中，难以事先准确获取待感知信号的稀疏度。3).若接入的用户较多时，感知的信号呈现非稀疏或者为密谱信号，此时基于压缩采样恢复原始信号的方法性能会急剧恶化，或者不再适用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于多通道压缩采样的宽带功率谱估计方法，具有采样速率低，计算复杂度低等优点，同时不需要信号频域稀疏度的先验信息。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种基于多通道压缩采样的宽带功率谱估计方法，包括以下步骤：

(1)模拟前端采用多通道压缩采样结构，得关系式Y[n]＝CX[n]，其中C为压缩采样矩阵，其元素随机从{1，-1}中选取，大小为M×N；X为原始输入信号的奈奎斯特离散采样，并将其分段组成矩阵，大小为N×L，Y为压缩采样的信号输出矩阵，大小为M×L，其中，M＜N且M²＞N；

(2)对每一路的采样值进行离散傅里叶变换，得到各通道间的互功率谱矩阵；

(3)利用互功率谱矩阵建立互功率谱关系式，采用直接法进行估计信号的功率谱，通过最小二乘法求解得到宽带功率谱估计结果。

所述步骤(2)具体包括：对每一路采样的信号Y的每一行进行傅里叶变换，得到矩阵Y[k]，根据选取的分辨率对Y[k]中的每一行进行分段平均，得到新的矩阵Y'[k]，大小为M×L₁，其中，L为L₁的整数倍；根据选取的分辨率对压缩采样矩阵C的每一行补零，然后对压缩采样矩阵C的每一行进行傅里叶变换得到矩阵C'[k]，分别对矩阵Y'[k]，C'[k]的行向量进行两两共轭点乘，分别得到互功率谱矩阵P_Y，P_C；