抗幹擾壓縮採樣的製作方法
2023-05-13 09:48:51 2
抗幹擾壓縮採樣的製作方法
【專利摘要】實施例提供了在頻率範圍能夠超過1GHz的先進通信應用中顯著改進的幹擾抑制。這樣的實施例可以使用寬帶技術來實施以提供寬帶壓縮採樣機制，該寬帶壓縮採樣機制能夠通過RF前端消除來進行優良的幹擾抑制。
【專利說明】抗幹擾壓縮採樣
[0001]相關申請
[0002]本申請要求於2011年6月8日遞交的美國臨時申請號61/494，604的優先權。
[0003]上述申請的全部教導通過引用的方式併入本文。
【技術領域】【背景技術】
[0004]壓縮採樣(CS)為無線通信系統提供了趣味橫生的新機會。包括天線陣列處理、多路徑估計以及幹擾抑制的多種功能受到了高速運行大量樣本這一需求的嚴重限制。而且，傳統採樣技術所需的高模擬/數字轉換(ADC)速率是極其耗電的，因而阻止了許多新的應用，尤其是在寬帶寬方面的應用。CS通過從遠少於傳統奈奎斯特(Nyquist)採樣的樣本中使得信號得以恢復而解決這些問題。
【發明內容】
[0005]本發明的實施例提供在頻率範圍能夠超過IGHz的先進通信應用中顯著改進的幹擾抑制。這樣的實施例可以使用寬帶技術來實施以提供寬帶壓縮採樣機制，該寬帶壓縮採樣機制能夠通過RF前端消除來進行優良的幹擾抑制。
[0006]本發明的實施例包括一種用於對信號進行採樣的電路。該電路可以包括衰減器、混合器、積分器和採樣保持電路。該衰減器可以被配置為接收碼片序列(chippingsequence)和衰減值，所述衰減器基於所述衰減值衰減所述碼片序列以輸出對應的混合序列。混合器接收數據信號，並根據所述混合序列調製所述數據信號，並生成調製後數據信號。積分器接收所述調製後數據信號並生成過濾後調製數據信號。採樣保持電路對所述過濾後調製數據信號進行採樣以提供採樣後數據信號。
[0007]在進一步的實施例中，可以生成所述衰減值以衰減所述碼片序列，使得所述混合序列能夠使得所述混合器消除所述數據信號中的幹擾。所述衰減值可以是基於與所述數據信號內包含的感興趣的信號、所述數據信號內的預測噪聲、以及所述數據信號內的預測幹擾中的一個或多個相關的信息而生成的。所述碼片序列是隨機序列或預定圖案。
[0008]本發明進一步的實施例可以包括一種射頻(RF)前端電路，該電路包括預採樣前端電路和上述的壓縮採樣電路。該預採樣前端電路可以被配置為從天線接收模擬RF信號並輸出數據信號。所述前端還可以包括被配置為處理所述採樣後數據信號的數字處理器。所述數字處理器還可以被配置為執行信號能量檢測、過濾感興趣的信號、分類以及解調中的一個或多個。所述數字處理器可以在多個參數下運行，所述多個參數包括由於所述壓縮採樣電路進行的幹擾消除導致的沒有幹擾的採樣後數據信號。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0009]前述內容將從如圖中所示的本發明的示例實施例的更詳細描述中變得清晰，在附圖中，貫穿不同的視圖，類似的附圖標記指代相同的部分。附圖並不是必然按比例繪製，相反地，重點是要放在示意本發明的實施例上。
[0010]圖1示出了壓縮傳感測量。
[0011]圖2示出了 RMPI採樣。
[0012]圖3是特徵為抗幹擾壓縮採樣的壓縮採樣裝置的示例性實施例的操作框圖。
[0013]圖4示出了示例性Φ IC公式化矩陣。
[0014]圖5示出了示例性抗幹擾寬帶壓縮採樣器。
[0015]圖6示出了抗幹擾寬帶壓縮採樣器與後端現場可編程門陣列(FPGA)和數位訊號處理器(DSP)進行交互的實施例。
【具體實施方式】
[0016]本文引用的所有專利、公開應用和參考文獻的教導通過引用的方式以其整體內容併入於此。
[0017]為了更好地理解問題領域，給出了關於CS理論內信號基礎信息含義的簡短描述。兩個關鍵概念構成了壓縮採樣模式的基礎:稀疏度和非相干性[I]。稀疏度說明連續時間信號的信息速率能夠遠小於它的帶寬所建議的信息速率，或者離散信號的自由度數量能夠遠小於它的長度所建議的自由度數量。當以合適的基(basis)表達時，完全能夠用相當少數量的樣本來表達該信號。非相干性是這樣的概念:在基(Ψ)中稀疏的信號(X)必須在它的測量基(Φ)中密集化。一個示例是尖峰(三角函數)和正弦曲線之間的關係。從算術上而言，這與對傅立葉(表達基)轉換後信號進行採樣(測量基)的物理處理相對應。通常而言，壓縮採樣是通過採用長度為N的信號X的M個測量(被表達為Ψs，s是稀疏度矢量，包含K個非零項(entries))形成測量矢量y來執行的。可以使用適當的算法基於y而重建信號X0測量處理如圖1所示。
[0018]在通信文獻資料中，壓縮傳感系統中幹擾消除的問題正在開始受到更多的關注。在最近的一示例中，參考文獻[2]的作者模擬了寬帶壓縮射頻接收器，該寬帶壓縮射頻接收器能夠獲取並跟蹤寬帶寬上的窄帶信號，消除幹擾並隔離感興趣的信號。參考文獻[3]的作者也已經在壓縮域研究了幹擾問題，論證了在信號恢復之前進行消除的好處。在這兩種情況中，作者使用幹擾信號的基支持(basis support)的先驗(priori )知識來將它們從目標信號中分離出來。測量是通過投射到與幹擾空間正交的空間進行的。參考文獻[4]的作者針對該問題採取了稍微不同的方法，他使用了最小均方誤差(MMSE)技術來改善SNR性能，假設了幹擾信號的先驗統計知識。
[0019]在本發明的實施例中，通過將幹擾消除放在CS接收器的RF前端中，在該處理鏈中比這些先驗嘗試更早地消除幹擾。
[0020]在接收器的模擬到信息(A/Ι)轉換機制的設計中能夠採用數種方法。Candes和ffakin[l]給出了兩種這樣的機制。他們的非均勻採樣器在隨機採樣時間點將信號數位化。這能夠用於具有稀疏頻譜(尖峰和正弦是非相干的)的信號的壓縮表達。第二種機制是隨機調製預積分(RMPI)。
[0021]圖2是示出RMPI採樣的框圖。這裡，將該信號乘以±ls的隨機頻率，在時間窗上積分，然後在時間間隔的末端採樣。隨機對映序列(antipodal sequence)是通用測量處理，因而與任何時-頻基(例如，Gabor詞典)均不相干。然後，能夠使用輸出測量來利用適當的算法重建初始信號。在參考文獻[2]中，RMPI用於A/Ι轉換。這裡，隨機解碼器將N個奈奎斯特速率樣本與隨機土 I序列相乘，通過將每個N/M順序係數相加生成M個測量。因而，N=LM,其中，L是奈奎斯特速率與積分後低速ADC (採樣保持以及伴隨編碼器(quantizer))的速率之間的比值。
[0022]圖3是壓縮採樣裝置300的示例性實施例的操作框圖。該裝置300包括RF模擬前端302和數位訊號處理器304。該RF模擬前端302包括預採樣電路306和抗幹擾壓縮採樣電路308。然後，採樣信號可被轉發至數位訊號處理器304，該數位訊號處理器304可以執行信號重建310、信號能量檢測312、感興趣的信號的過濾314、分類316以及解調318。
[0023]寬帶壓縮採樣器的實施例提供了能夠向先前的CS技術傳遞優良幹擾性能的測量集。通過在RF前端電路中消除幹擾，沒有必要如參考文獻[2]、[3]和[4]中所實施的那樣依賴於後端DSP來執行該功能。通過這一點，強窄帶幹擾可能已經使得所收集樣本的測量變差到實際上可能無法恢復初始信號的程度。本發明的實施例通過引入標準RMPI A/Ι轉換的新的提取(take)來避免這一問題。
[0024]在本發明的示例性實施例中，通過利用能夠抑制幹擾的序列代替隨機±1序列，能夠修改RMPI方法(如以上參照圖2所述)。回憶一下，在RMPI中使用的對映隨機序列普遍是與任何時-頻基不相干的[I]。儘管這允許以相當多的靈活性來測量感興趣的信號，然而，很顯然，它對於整個時-頻面上的幹擾不具有明確的抵抗性。用針對幹擾消除而設計的序列來代替這些序列，提供了創建如下測量基的可能性:該測量基與感興趣的信號強相干但是與幹擾信號弱相干。參考文獻[5]的作者也通過引入碼片譜分布作為進一步的自由度而考慮了改善RMPI測量的問題。他們論證了當信號位於頻域中時能夠具有顯著的重建改善。雖然沒有提及進行幹擾消除，但是他們的研究為建議的方案提供了憑證。
[0025]一個挑戰在於使用其幾何和/或統計的先驗知識來設計抗幹擾序列。如前文所提及的，當目標信號和幹擾信號不是充分正交時，如參考文獻[2]、[3]中所述，使用已知基支持來創建沒有幹擾的投射矩陣遇到了 SNR難度，而我們將一開始就集中在如參考文獻[4]中所描述的基於MMSE的方法上。該方法需要關於信號、幹擾和噪聲協方差矩陣的知識。從這些矩陣中，作者推導出了幹擾消除線性算子Pmmse= (Φ05Φ*)
其中，Φ是測量基，CS，CJPCW是信號、幹擾和噪聲協方差矩陣。不是像他們那樣將該算子應用於後端，本發明的實施例通過將該算子併入到測量處理中而將該算子應用於前端。
[0026]該過程與參考文獻[2]的可比較之處在於作者還使用線性算子將X的樣本映射到測量y的集合。然而，不是如同他們那樣使用Φ作為算子，本發明的實施例改為使用先驗協方差知識來創建算子P msE。在標準RMPI中，該測量基可以是隨機對映序列的集合，該隨機對映序列現在通過應用幹擾消除算子而能夠抗幹擾。
[0027]圖4示出了創建Pmmse算子的公式化矩陣。輸入數據信號的調製是通過這些修改過的序列執行的。為了標示簡單，將把算子Pmbe稱為Φκ以將它指定為幹擾消除測量基。因而，在RF前端進行幹擾消除，這與參考文獻[2]中在後端執行幹擾消除是相反的。第二個挑戰是使用相對複雜的序列來設計奈奎斯特速率調製器。儘管± Is用硬體實施起來相對簡單，然而以高速率生成高精度值可能需要精密(sophisticated)衰減器和高速串行接口。對於公式化矩陣構架的詳細描述，參見參考文獻[4]。
[0028]圖5示出了示例性實施例中的寬帶壓縮採樣器500，該寬帶壓縮採樣器500實現符合RMPI的混合器502、積分器504和低速採樣保持電路506。通過衰減器510衰減對映碼片序列508，使得碼片序列變為測量算子Φκ的行子矩陣。與Φκ行相對應的衰減值512在FPGA中生成並且經由高速接口被傳遞至衰減器。該二進位對映碼片序列被衰減了與這些值相對等的量。結果是，由於確定性協方差信息的併入，該碼片序列是偽隨機的。在可替代的實施例中，碼片序列可以是預定義圖案或者其他非隨機序列。長度為N的信號X通過長度為L的碼片序列被調製然後在窗口 LT上被積分，其中，T是奈奎斯特採樣時間。然後，該信號經過採樣保持並被傳遞至編碼器(例如，西格瑪-德爾塔(Σ Λ )轉換器)。來自該壓縮採樣器的輸出是I的M個分量(回憶一下，N=LM)0
[0029]然後，給出表達基Ψ，使用合適的算法基於測量y而重建信號X。由於測量過程中的消除，因而重建的信號X是沒有幹擾和噪聲的RF信號x(t)的數位化版本。例如，使用L1最小化技術，對於K-稀疏信號的高概率重建，所需測量的數量是M > cKlog(N/K) [4]。可替代地，將採用諸如正交匹配追 蹤之類的貪婪算法。
[0030]在一些實施例中，混合器、積分器和低速採樣保持電路可以根據名稱為「寬帶模擬射頻組件」的國際專利申請號PCT/US2011/024542的教導而製成，該專利申請的教導通過引用的方式以其整體併入於此。
[0031]可以測量圖5所示的壓縮採樣器的性能來確定幹擾消除的效果。能夠在壓縮測量之後、量化之前被測量的關鍵性能指標是針對給定SIR的SNR對K1As，其中，SNR是信噪比，K1As是幹擾與感興趣的信號之間的稀疏比，而SIR是信號對幹擾比。針對期望的SIR範圍內的所有1/1^，目標值可以是≥72dB。鑑於滿足噪聲指數(noise figure)和動態範圍要求的這一需要，測量的數量可以大於重建所需的最小數量，並且受限同構特性(restrictedisometry property)[5]必須滿足足夠的程度以確保期望的性能等級。12dB的噪聲指數將與其他壓縮感測獲取接收器一致，同時72dB動態範圍將表現出足夠的SNR以從模數轉換器獲取12比特的解析度。
[0032]可以選擇合適的算法來重建信號。有兩類主要的用於壓縮採樣信號重建目的的算法，當然也可以採用其他算法。一類算法包括用來最小化L-norm的算法。一個示例是Lasso算法。其他類的算法包括貪婪算法。這些算法藉助用詞典集合採用測量信號的連續最高相關值(例如通過內積)形成了快速近似的表達。一個示例是匹配追蹤或正交匹配追蹤。
[0033]圖6示出了抗幹擾寬帶壓縮採樣器與後端FPGA和DSP進行交互的示例，如圖3所示的信號重建算法和其他數字處理在FPGA和DSP處被執行。如圖所示，抗幹擾寬帶壓縮採樣器的採樣保持電路與ADC (例如，德爾塔-西格瑪轉換器)進行交互，該ADC與FPGA/DSP後端進行交互。可以如圖6所示使用諸如Cypress半導體的CY8C55之類的晶片上可編程系統(PSoC)來執行信號重建。如先前提及的諸如能量檢測、過濾、分類以及解調之類的連續的數字處理任務可以使用FPGA和/或DSP來執行。這些任務可以通過傳統裝置來執行，當然數字處理器也可以如以上參照圖3所述那樣省略幹擾消除。通過省略數字幹擾消除，該數字處理器可以在多個參數下運行，所述多個參數包括由於壓縮採樣電路進行的幹擾消除導致的沒有幹擾的採樣後數據信號輸入。在可替代的實施例中，該數字處理器可以實施冗餘或補充幹擾消除以進一步增強性能。[0034]參考文獻
[0035][1]E.Candes and M.Wakinj iiAn Introduction to Compressive Sampling，，，IEEESignal Processing Magazine, pp.21-30, Mar2008.[0036][2] M.A.Davenport, S.R.Schnel Iej J.P.Slavinskyj R.G.Baraniukj M.B.Wakinj and P.T.Boufounosj 「A Wideband Compressive Radio Receiver，，，MilitaryCommunications Conference2010, pp.1193-1198，Nov2010.[0037][3] M.A.Davenport, P.Boufounosj R.Baraniukj 「Compressive DomainInterference Cancellation,，』Workshop on Signal Processing with Adaptive SparseStructured Representations, Apr2009.[0038][4] S.Hwang, S.Jang, D.Kimj and J.Seoj 「An MMSE-based Compressive DomainInterference Cancellator for Wideband Systems,，，2010The2ndInternationalConference on Computer and Automation Engineering, pp.359-362, Feb2010.[0039][5] J.Ranierij R.Rovattij and G.Settij 「Compressive Sensing of LocalizedSignals:Application to Analog-to-1nformation Conversion,，』Proceedings of the2010IEEE International Symposium on Circuits and Systems, pp.3513-3516, Jun2010.[0040]雖然，已經示出並參照本發明的示意實施例描述了本發明，然而，本領域技術人員應當理解，可以在不脫離所附權利要求所包含的本發明範圍的情況下對於本文進行形式和細節上的各種改變。
【權利要求】
1.一種用於對信號進行採樣的電路，包括: 衰減器，被配置為接收碼片序列和衰減值，所述衰減器基於所述衰減值衰減所述碼片序列以輸出對應的混合序列； 混合器，被配置為接收數據信號並根據所述混合序列調製所述數據信號，所述混合器生成調製數據信號； 積分器，被配置為接收所述調製數據信號並生成過濾後調製數據信號；以及 採樣保持電路，被配置為對所述過濾後調製數據信號進行採樣。
2.根據權利要求1所述的電路，其中，所述衰減值被生成為衰減所述碼片序列，從而所述混合序列能夠使得所述混合器消除所述數據信號中的幹擾。
3.根據權利要求2所述的電路，其中，所述衰減值是基於與所述數據信號內包含的感興趣的信號、所述數據信號內的預測噪聲以及所述數據信號內的預測幹擾中的一個或多個相關的信息而生成的。
4.根據權利要求1所述的電路，其中，所述碼片序列是隨機序列。
5.根據權利要求1所述的電路，其中，所述碼片序列是預定圖案。
6.一種射頻(RF)前端電路，包括: 預採樣前端電路，被配置為從天線接收模擬RF信號並輸出數據信號；以及 壓縮採樣電路，被配置為對所述數據信號進行採樣，所述壓縮採樣電路包括: 衰減器，被配置為接收碼片序列和衰減值，所述衰減器基於所述衰減值衰減所述碼片序列以輸出對應的混合序列； 混合器，被配置為接收數據信號並根據所述混合序列調製所述數據信號，所述混合器生成調製數據信號； 積分器，被配置為接收所述調製數據信號並生成過濾後調製數據信號；以及 採樣保持電路，被配置為對所述過濾後調製數據信號進行採樣以生成採樣後數據信號。
7.根據權利要求6所述的電路，其中，生成所述衰減值以對所述碼片序列進行衰減，從而所述混合序列能夠使得所述混合器消除所述數據信號中的幹擾。
8.根據權利要求7所述的電路，還包括數字處理器，被配置為處理所述採樣後數據信號。
9.根據權利要求8所述的電路，其中，所述數字處理器還被配置為執行信號能量檢測、過濾感興趣的信號、分類以及解調中的一個或多個。
10.根據權利要求8所述的電路，其中，所述數字處理器在多個參數下運行，所述多個參數包括由於所述壓縮採樣電路進行的幹擾消除導致的沒有幹擾的採樣後數據信號。
11.一種壓縮米樣的方法，包括: 接收碼片序列和衰減值； 基於所述衰減值對所述碼片序列進行衰減以輸出對應的混合序列； 根據所述混合序列調製所述數據信號以生成調製數據信號； 通過積分器生成過濾後調製數據信號；以及 對所述過濾後調製數據信號進行採樣。
12.根據權利要求11所述的方法，其中，衰減所述碼片序列提供了所述數據信號中的幹擾消除。
13.根據權利要求12所述的方法，其中，衰減所述碼片序列是基於與所述數據信號內包含的感興趣的信號、所述數據信號內的預測噪聲以及所述數據信號內的預測幹擾中的一個或多個相關的信息。
14.根據權利要求11所述的方法，其中，所述碼片序列是隨機序列。
15.根據權利要求11所述的方法，其中，所述碼片序列是預定圖案。
【文檔編號】H03M7/30GK103765780SQ201280027560
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2012年6月8日 優先權日:2011年6月8日
【發明者】賈伊·古普塔 申請人:紐蘭斯公司