基于压缩感知的模拟信息转换技术 pdf下载

压缩感知理论是近年来信号处理领域的一项重大革新和突破，该理论利用信号的稀疏特性，相较于奈奎斯特采样理论，能从较少的全局观测值中还原出整个未知信号。在无线通信、雷达、遥感、超声、光学成像及生物传感等领域均有广阔的应用前景。模拟信息转换技术将基本的压缩感知理论扩展到模拟信号域中，真正实现模拟信号的欠奈奎斯特采样，是压缩感知理论推向实际应用的关键一环。

本书着重介绍了几种基于压缩感知理论的模拟信息转换技术。每一章都包含了相应的理论推导，以大量的仿真实验来进行理论验证与探究，直观地展示了系统的性能。并针对随机解调系统和调制宽带转换系统，分享了完整的实验平台硬件和软件设计过程。本书的理论推导、仿真和硬件设计等内容系统性很强，读者可以根据自己研究问题的需要，迅速找到适合自己的内容，有针对性地学习或参考。

本书在介绍压缩感知基本理论的基础上，系统介绍该理论在信号采样领域的物理实现技术——模拟信息转换技术，针对其中两种典型物理实现系统——随机解调系统和调制宽带转换系统的原理进行了详细的阐述。介绍硬件实验平台的设计和搭建，并针对硬件实现时物理器件的非线性问题，给出详细的系统校准方法和硬件实验结果分析;接着从量化角度降低采样数据量，具体介绍1-Bit压缩感知理论及1-Bit量化模拟信息转换系统;最后将模拟信息转换的一维信号采样扩展到空域，详细阐述基于阵列式调制宽带转换系统的信号空频域参数联合估计方法。

付宁，哈尔滨工业大学电子与信息工程学院副教授、博士生导师。主要研究方向为：信息域采样理论及技术、稀疏信号处理及压缩感知、智能信号处理、虚拟仪器技术、自动测试技术等。近几年，作为项目主要负责人，承担各类科研项目20余项，包括国家自然科学基金2项、航天支撑基金1项、863项目2项、部级预研项目2项、博士后基金1项、企业合作项目10余项等。发表论文50余篇，其中SCI检索20余篇，EI检索20余篇；作为副主编出版教材2部。获授权发明专利30余项；获省部级科学技术奖1项。主要学术兼职为：黑龙江省仪器仪表学会理事、IEEE会员、中国电子学会会员，担任IEEE Transactions on Signal Processing、IET Signal Processing、IEEE Access、电子学报、物理学报等期刊审稿人。

第1章 绪论 ………… 1

1.1 压缩感知理论研究综述 ……… 2

1.2 模拟信息转换技术研究综述 … 6

1.3 本书的研究内容 ……………… 10

第2章 基于随机解调的模拟信息转换技术 ……………… 11

2.1 随机解调基本原理 …………… 11

2.1.1 概述 ………………… 11

2.1.2 数学描述 …………… 14

2.1.3 仿真实验 …………… 17

2.2 随机解调实验平台设计 ……… 23

2.2.1 需求分析 …………… 23

2.2.2 硬件设计 …………… 23

2.2.3 软件设计 …………… 28

2.3 系统感知矩阵的构造方法 …… 31

2.3.1 理论计算法 ………… 31

2.3.2 基于 m 序列和 FFT 的快速构造法 …… 33

2.4 硬件实验和分析 ……………… 46

2.4.1 评价指标 …………… 46

2.4.2 硬件实验 …………… 46

本章小结 ……… 53

第3章 基于调制宽带转换器的模拟信息转换技术 ……… 54

3.1 MWC基本原理 ……………… 54

3.1.1 多频带信号模型 …… 54

3.1.2 MWC系统概述 …… 55

3.1.3 MWC频域分析 …… 56

3.1.4 信号重构 …………… 60

3.1.5 仿真实验 …………… 62

3.2 MWC系统实验平台设计 …… 70

3.2.1 需求分析 …………… 70

3.2.2 影响因素分析 ……… 70

3.2.3 硬件设计 …………… 76

3.2.4 软件设计 …………… 82

3.3 系统感知矩阵的校准方法 …… 84

3.3.1 实际 MWC系统存在的问题 …………… 84

3.3.2 系统感知矩阵校准方法 ………………… 86

3.3.3 仿真实验 …………… 90

3.4 硬件实验和分析 ……………… 92

3.4.1 评价指标 …………… 92

3.4.2 硬件实验 …………… 92

本章小结 ……… 100

第4章 基于1-Bit量化的模拟信息转换技术 …………… 101

4.1 1-Bit压缩感知基本理论 …… 102

4.2 1-Bit压缩感知盲重构算法 … 108

4.2.1 稀疏度自适应二进制迭代硬阈值算法 … 108

4.2.2 SABIHT 算法与 BIHT 算法比较 …… 111

4.2.3 算法的计算复杂度实验及分析 ………… 114

4.3 基于1-Bit量化的随机解调系统………………… 115

4.3.1 信号模型 …………… 115

4.3.2 基于1-Bit量化的随机解调系统框架 … 116

4.3.3 硬件平台搭建及实验结果分析 ………… 118

4.4 基于1-Bit量化的 MWC系统 130

4.4.1 信号模型 …………… 131

4.4.2 基于1-Bit量化的 MWC系统框架 …… 132

4.4.3 仿真实验 …………… 135

本章小结 ……… 138

第5章 基于模拟信息转换的阵列信号空频域参数联合估计 ………………… 139

5.1 相关研究综述 ……………… 139

5.1.1 阵列信号空频域参数联合估计研究现状 139

5.1.2 基于模拟信息转换的阵列信号参数联合估计研究现状 …… 141

5.2 基于双 L型阵列 MWC的二维 DOA 和载频联合估计方法 ……… 142

5.2.1 阵列多频带信号模型 142

5.2.2 双 L型阵列 MWC系统 ……………… 144

5.2.3 基于 ESPRIT 的参数估计方法………… 148

5.2.4 基于 CP分解的参数估计方法 ………… 152

5.2.5 仿真实验 …………… 159

5.3 基于 L型延迟阵列 MWC的二维 DOA 和载频联合估计方法 …… 167

5.3.1 L型延迟阵列 MWC系统 ……………… 167

5.3.2 基于 ESPRIT 的参数估计方法………… 169

5.3.3 基于 CP分解的参数估计方法 ………… 171

5.3.4 仿真实验 …………… 173

5.3.5 双 L型阵列与 L型延迟阵列结构仿真对比 ……………… 178

本章小结 ……… 182

参考文献 …………… 183

随着现代通信、雷达等领域信号带宽越来越大，利用传统的奈奎斯特采样定理进行采样会产生巨量的数据，对硬件的采样速度以及存储要求提出了巨大的挑战。压缩感知理论指出，在信号满足稀疏性的条件下，能以远低于奈奎斯特频率的采样速率进行全局观测，将压缩和采样合并进行，然后通过适当的重构算法恢复出原信号。压缩感知理论被提出后，迅速成为信号处理领域的一个研究热点。

然而经典的压缩感知理论针对的是离散信号模型，一般不关注模拟信号的采样方案，仅作为采样之后的信号处理方法使用。将压缩感知理论直接应用到信号采样过程中对于信号处理领域是一个革命性的创新，将从根本上突破奈奎斯特采样定理，这部分研究称为“模拟信息转换”。由于该研究直接面向模拟信号，且涉及数学模型到前端采样通道物理器件的对应与实现以及物理器件的建模与校准，因此研究难度较大。

本书在介绍压缩感知基本理论的基础上，系统介绍了该理论在信号采样领域的物理实现技术———模拟信息转换技术，针对其中两种典型物理实现系统———随机解调系统和调制宽带转换系统的原理进行了详细的阐述，介绍了硬件实验平台的设计和搭建，并针对硬件实现时物理器件的非线性问题，给出了详细的系统校准方法和硬件实验结果分析。接着从量化角度降低采样数据量，具体介绍了1-Bit压缩感知理论及1-Bit量化模拟信息转换系统。最后将模拟信息转换的一维信号采样扩展到空域，详细阐述了基于阵列式调制宽带转换系统的信号空频域参数联合估计方法。

本书是作者课题组近十年来研究成果的梳理和精炼，包含相关的理论推导、大量的仿真实验、系统的硬件实现及实验分析，达到国内先进水平，具有重要的理论价值及实际意义。本书可作为通信工程、信号处理及相关领域研究人员和学生的参考书。

全书共五章。第1章介绍了压缩感知基本理论和模拟信息转换技术的国内外研究现状。第2章介绍了随机解调系统的基本原理，并详细阐述了随机解调实验平台的设计和搭建，给出了详细的校准方法和硬件实验结果分析。第3章介绍了调制宽带转换系统的基本原理，给出了调制宽带转换系统实验平台的搭建方法，介绍了校准方法，给出实验结果并分析。第4章在1-Bit压缩感知理论的基础上，给出了盲重构算法，介绍了基于1-Bit量化的随机解调系统以及调制宽带转换系统。第5章介绍模拟信息转换技术在阵列信号处理方面的拓展及应用，详细阐述了基于阵列式调制宽带转换系统的信号空频域参数联合估计方法。

本书中作者的工作获得了国家自然科学基金(No.61102148、61671177、61701138)、航天支撑基金等项目的资助。本书的撰写受到哈尔滨工业大学自动化测试与控制研究所彭喜元教授和乔立岩教授的特别关心和支持，在此作者表示衷心的感谢。

另外，感谢作者课题组博士研究生姜思仪同学，以及往届硕士研究生曹离然、宋平凡、姚婷婷、杨柳等为本书研究工作做出的贡献。

由于作者的研究范围和水平有限，书中难免有疏漏与错误，欢迎读者批评指正。