信號採樣方法、信號採樣系統和信號採樣裝置與流程
2023-05-31 10:36:47
本發明涉及信號處理領域，尤其涉及一種信號採樣方法、信號採樣系統和信號採樣裝置。
背景技術：
傳統的信號處理過程可以包括採樣、壓縮、存儲/傳輸和解壓縮四部分，在採樣過程中，先按照奈奎斯特(nyquist)採樣定理對原始信號進行數據採集，然後將採集的數據進行壓縮，在壓縮過程中首先對採集的數據做變換，然後對少數絕對值較大的係數壓縮編碼，而捨棄其它為零或接近零的係數，其中，在壓縮過程中捨棄了採樣獲得的大部分數據。
近年來，提出了一種新的信號採集技術，即，壓縮傳感技術(compressivesensing)，壓縮傳感技術利用了原始信號s具有稀疏性的特性，即原始信號經正交變換後，只有k個位置未知的非零項。其中，利用壓縮傳感技術測量的數據量遠遠小於傳統採樣所需的數據量。
在壓縮傳感實現的過程中，首先獲取原始信號s的採樣值(非自適應線性投影)，其中，採樣值由等式(1.1)表示：
y＝φα(1.1)
其中，y為採樣值，φ為採樣矩陣，α為原始信號。原始信號α表示為n項的列向量，並存在稀疏表示，即正交變換ψ後得到的ψα＝x只有k(k<<n)個位置未知的非零項。測量值y為m項的列向量(m<<n&m>2k)，採樣矩陣φ是m行n列的矩陣。
在獲取原始信號的採樣值y，再經存儲/傳輸之後，可以進行信號重構。
由此可知，使用壓縮感知技術對信號進行處理分為信號採樣階段和信號恢復階段。信號採樣階段包括構建採樣矩陣和使用採樣矩陣對信號數據進行採樣。現有採樣矩陣的構建方式可以分為兩種，第一種是構建與應用數據無關的採樣矩陣，第二種是構建與應用數據相關的採樣矩陣。與應用數據無關的採樣矩陣可以是服從高斯分布的實數矩陣，也可以是服從伯努利分布的隨機布爾矩陣。從硬體角度出發，一般偏向於使用隨機布爾矩陣，但使用隨機布爾矩陣對數據進行採樣，不能很好地利用數據內在的特點，從而導致採樣值的準確度較差。而採用與應用數據相關的採樣矩陣對信號進行採樣，則可以學習應用數據的內在模式，從而可以更好的利用數據信息，使得在信息密集區域多採集，信息稀疏區域少採集，來達到更高的信號質量或者更少的採樣數。
但是基於通過學習原始信號對應的應用數據來構造與數據相關的採樣矩陣，生成的是與應用數據相關的實數採樣矩陣，而根據實數採樣矩陣採樣信號使用的硬體在一定程度上實現較難，且功耗較高。
技術實現要素：
本發明提供一種信號採樣方法、信號採樣系統和信號採樣裝置，能夠降低根據數據相關採樣矩陣對信號進行採樣所使用的硬體的複雜度和功耗。
第一方面，本發明提供了一種信號採樣方法。首先，根據目標信號對應的應用數據獲取與該應用數據相關的m行n列的實數矩陣ψ，m和n為大於或等於1的整數。然後根據ψ獲取滿足條件(1)的布爾採樣矩陣
其中，t為m行m列的矩陣，d為m行m列的對角矩陣。最後，根據對目標信號進行採樣，得到採樣值。
本發明的信號採樣方法，將與應用數據相關的實數採樣矩陣轉換為與應用數據相關的布爾採樣矩陣，然後再根據該布爾採樣矩陣對目標信號進行採樣。根據與應用數據相關的布爾採樣矩陣對目標信號採樣，既能夠更好地利用數據的信息，又能降低採樣時使用的硬體的複雜度和功耗。
在一種可能的實現方式中，tt×t＝d2包括：tt×t＝i，i為單位矩陣。
在一種可能的實現方式中，根據ψ獲取滿足條件(1)的布爾採樣矩陣時，先隨機初始化所述t的第一行t1的值；隨機初始化所述的第一行然後依次根據ψ和所述t的t1至第i-1行ti-1獲取所述的滿足條件(2)的第i行
其中，i為大於1且小於或等於m的整數。
上述實現方式先初始化t的第一行，然後通過公式(2)來依次獲取的其他行，將非線性約束條件轉換成線性約束條件，可以降低求解的複雜度。
第二方面，提供了一種信號採樣系統。該信號採樣系統包括實數採樣矩陣獲取模塊、布爾採樣矩陣獲取模塊和採樣模塊。實數採樣矩陣獲取模塊用於根據目標信號對應的應用數據獲取與應用數據相關的採樣矩陣ψ，ψ為m行n列的實數矩陣，m和n為大於或等於1的整數。布爾採樣矩陣獲取模塊用於根據ψ獲取滿足條件(1)的布爾採樣矩陣
其中，t為m行m列的矩陣，d為m行m列的對角矩陣。採樣模塊用於根據對目標信號進行採樣，得到採樣值。
本發明的信號採樣系統，將與應用數據相關的實數採樣矩陣轉換為與應用數據相關的布爾採樣矩陣，然後再根據該布爾採樣矩陣對目標信號進行採樣。根據與應用數據相關的布爾採樣矩陣對目標信號採樣，既能夠更好地利用數據的信息，又能降低採樣時使用的硬體的複雜度和功耗。
在一種可能的實現方式中，tt×t＝d2包括：tt×t＝i，i為單位矩陣。
在一種可能的實現方式中，布爾採樣矩陣獲取模塊具體用於隨機初始化t的第一行t1的值；隨機初始化所述的第一行並依次根據ψ和t的t1至第i-1行ti-1獲取的滿足條件(2)的第i行
其中，i為大於1且小於或等於m的整數。
上述實現方式中的信號採樣系統先初始化t的第一行和的第一行，然後通過公式(2)來依次獲取t的其他行。在獲取t的每一行時，可以同時得到的對應的行，將非線性約束條件轉換成線性約束條件，可以降低求解的複雜度。
第三方面，提供了一種信號採樣裝置。該信號採樣裝置包括實數採樣矩陣獲取模塊、布爾採樣矩陣獲取模塊和採樣模塊。實數採樣矩陣獲取模塊用於根據目標信號對應的應用數據獲取與應用數據相關的採樣矩陣ψ，ψ為m行n列的實數矩陣，m和n為大於或等於1的整數。布爾採樣矩陣獲取模塊用於根據ψ獲取滿足條件(1)的布爾採樣矩陣
其中，t為m行m列的矩陣，d為m行m列的對角矩陣。採樣模塊用於根據對目標信號進行採樣，得到採樣值。
本發明的信號採樣裝置，將與應用數據相關的實數採樣矩陣轉換為與應用數據相關的布爾採樣矩陣，然後再根據該布爾採樣矩陣對目標信號進行採樣。根據與應用數據相關的布爾採樣矩陣對目標信號採樣，既能夠更好地利用數據的信息，又能降低採樣時使用的硬體的複雜度和功耗。
在一種可能的實現方式中，tt×t＝d2包括：tt×t＝i，i為單位矩陣。
在一種可能的實現方式中，布爾採樣矩陣獲取模塊具體用於隨機初始化t的第一行t1的值；隨機初始化所述的第一行並依次根據ψ和t的t1至第i-1行ti-1獲取的滿足條件(2)的第i行
其中，i為大於1且小於或等於m的整數。
上述實現方式中的信號採樣裝置先初始化t的第一行和的第一行，然後通過公式(2)來依次獲取t的其他行。在獲取t的每一行時，可以同時得到的對應的行，將非線性約束條件轉換成線性約束條件，可以降低求解的複雜度。
第四方面，提供了一種信號採樣裝置，包括存儲器和處理器。該存儲器用於存儲程序，該處理器用於執行存儲器存儲的程序。當存儲器存儲的程序被執行時，處理器用於執行第一方面的方法。
附圖說明
為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對本發明實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面所描述的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
圖1是本發明實施例的信號採樣方法的示意性流程圖；
圖2是本發明實施例的獲取布爾採樣矩陣的方法的示意性流程圖；
圖3是本發明實施例的信號採樣系統的示意性結構圖。
圖4是本發明實施例的信號採樣裝置的示意性結構圖。
圖5是本發明實施例的信號採樣裝置的示意性結構圖。
具體實施方式
下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
目前，通過壓縮感知技術進行信號採樣時，先對與信號對應的應用數據進行訓練，學習應用數據的內在模式，從而得到與應用數據相關的實數採樣矩陣，然後再用該實數採樣矩陣對應用數據對應的目標信號進行採樣。由於使用實數採樣矩陣對目標信號進行採樣所使用的硬體的複雜度和功耗等比較大，因此本發明提出在實數採樣矩陣上進行布爾優化，得到布爾矩陣，而且保證所得布爾矩陣保留實數矩陣的與數據相關的信息(即該布爾矩陣對於應用數據也為數據相關的矩陣)，然後再使用該布爾矩陣對目標信號進行採樣。因此，本發明的技術方案的一個關鍵點在於如何從與數據相關的實數採樣矩陣得到與數據相關的布爾採樣矩陣。
在壓縮感知技術中，要滿足對於所有可能的信號x，當用與數據相關的實數採樣矩陣ψ對x進行採樣得到採樣值ψ*x後，採樣值ψ*x對以下有限等效性質(restrictedisometryproperty，rip)均成立，才可以確保信號的可恢復性：
從幾何角度理解，即原n維空間中的信號x，經過壓縮感知採樣到m維子空間的數據後，該數據對應的信號的長度只能發生最多δk形變。δk是一個常數，範圍在0-1之間。δk的數值越小，代表信號經過映射後的形變越小，恢復後質量越高。δk可以表徵採樣矩陣ψ的質量。
與數據相關的實數採樣矩陣中，最重要的信息就是對於信號x，都能確保rip的成立。為了將實數矩陣變換為布爾矩陣之後數據相關的結果仍然保留，變換所得的布爾矩陣仍然要滿足rip性質。因此，假設變換算子為矩陣t，則需要滿足以下不等式才能保證通過布爾矩陣採樣的信號的可恢復性：
若且唯若t為正交歸一(orthonormal)矩陣時，以上不等式才能得到滿足。這是因為正交歸一矩陣作為算子，不會改變採樣值的長度。
除了滿足正交歸一約束條件以外，t變換矩陣需要將ψ變換成布爾矩陣，因此t還需要滿足：其中，為一個布爾矩陣。因為希望t*ψ與儘可能接近，因此，可以規劃出以下的優化問題：
該問題中，t和均為未知數，為m行n列的布爾矩陣，即為最終所要獲取的用於對信號進行採樣的布爾採樣矩陣。正常情況下，布爾矩陣為中包含的值為0和1，但由於在硬體裝置中實現矩陣的乘法時，一般使用-1來代替0，因此本發明實施例中布爾矩陣為m行n列的矩陣，且該矩陣中的元素為-1或1。
在通過上述優化問題求解時，可以將t需要滿足的鬆弛正交歸一約束(orthonormal)為正交約束(orthogonal)，因此上述優化問題可轉化為:
其中，d為對角矩陣。同時，可以根據d恢復通過對信號x進行採樣所得的採樣值從而使得約束條件的鬆弛不會改變恢復的信號的質量。如當使用如下算法從採樣值恢復信號時，不會改變恢復的信號的質量：
其中，y為恢復後的信號，ε為一個無限接近於0的值。
在獲取時，首先是獲取滿足正交約束的t，在獲取到t的同時即可得到獲取滿足正交約束的t可以使用行生成算法，即通過迭代的方式一行一行生成。具體而言，在滿足t的第i行與前i-1行相正交的條件下，通過t的前i-1行來獲取t的第i行，當然，獲取到t的第i行的同時，也就獲取到了的第i行
一種具體的實現方式中，可以先隨機初始化t的第一行t1和的第一行然後根據根據下列式子逐行獲取t和的其他行：
其中，ti表示t的第i行，表示的第i行。
上述獲取t和的方法，將非線性約束條件轉換成線性約束條件，可以降低求解的複雜度。
在獲取t和的每一行時，還可以使用分支定界法處理上述約束，從而得到每一行中的各個未知數。
分別獲取的每一行後，即可得到最後再使用該布爾矩陣對信號x進行採樣，即計算從而得到採樣值。
上述介紹的是如何從與數據相關的實數採樣矩陣得到與數據相關的布爾矩陣，其只是信號採樣中的一個子過程，下面結合圖1介紹本發明實施例的信號採樣方法。
s101，根據目標信號對應的應用數據得到與該應用數據相關的m行n列的實數矩陣ψ，m和n為大於或等於1的整數。
s102，根據ψ獲取滿足條件(1)的布爾採樣矩陣
其中，t為m行m列的矩陣，d為m行m列的對角矩陣，即t為正交矩陣。
s103，根據對目標信號進行採樣，得到採樣值。
本發明實施例中，由於最後對目標信號進行採樣所使用的是與數據相關的二值布爾矩陣，因此可用結構簡單、低功耗硬體來實現矩陣乘法，即可用低功耗硬體來得到與目標信號相關的採樣值。
本發明實施例中，條件(1)中的約束tt×t＝d2可以進一步約束為tt×t＝i，i為單位矩陣，即t為正交歸一矩陣。
根據ψ獲取滿足條件(1)的時，可以先隨機初始化t的第一行t1和的第一行然後根據t的前i-1行獲取t的第i行，且t的前i-1行與t的第i行滿足條件(2)：
其中，ti表示t的第i行，表示的第i行，i的取值範圍為從2至m，m為t的行數。根據t的前i-1行獲取到t的第i行的同時即可以得到的第i行，
上述根據ψ獲取滿足條件(1)的的示意性流程圖如圖2所示。
s201，隨機初始化t的第一行和的第一行，即給t和的第一行隨機賦值。
s202，從t的第二行開始，根據t的前i-1行獲取滿足公式(2)的t的第i行。當獲取到t的第i行時，即可以獲取的第i行。具體而言，就是根據t的第一行獲取滿足公式(2)的t的第二行，同時得到的第二行，然後根據t的第一行和第二行，獲取滿足公式(2)的t的第三行，同時得到的第三行，依次類推，直至根據t的第1行至第m-1行得到滿足公式(2)的t的第m行，即得到的第m行。
s203，每獲取到t和的一行的值時，將該行的值更新到t和對應的行中。
s204，每獲取到t的一行的值時，判斷該行是否為t的最後一行。若t的最後一行已獲取，說明t已完全獲取到，同時表示已完全獲取到；若該行不是t的最後一行，則說明還需繼續獲取下一行。
s205，得到後，可以進行下一個步驟，即根據對信號進行採樣。
上述獲取t以獲取的方法將非線性約束轉換成線性約束，可以降低計算複雜度。
下面結合圖3介紹本發明實施例的信號採樣系統300。信號採樣系統300可以是圖1所示的信號採樣方法的執行主體。
信號採樣系統300包括實數採樣矩陣獲取模塊301、布爾採樣矩陣獲取模塊302和採樣模塊303。
實數採樣矩陣獲取模塊301用於根據目標信號對應的應用數據得到與應用數據相關的採樣矩陣ψ，ψ為m行n列的實數矩陣，m和n為大於或等於1的整數。
布爾採樣矩陣獲取模塊302用於根據ψ獲取滿足下列的布爾採樣矩陣
其中，t為m行m列的矩陣，d為m行m列的對角矩陣。
採樣模塊303用於根據對目標信號進行採樣，得到採樣值。
本發明的信號採樣系統，將與應用數據相關的實數採樣矩陣轉換為與應用數據相關的布爾採樣矩陣，然後再根據該布爾採樣矩陣對目標信號進行採樣。根據與應用數據相關的布爾採樣矩陣對目標信號採樣，既能夠更好地利用數據的信息，又能降低採樣時使用的硬體的複雜度和功耗。
因為信號採樣系統300可以為圖1所示的信號採樣方法的執行主體，因此信號採樣系統300的上述和其他操作或/和功能分別與圖1所示的信號採樣方法中的操作或/功能相同或相似。為了簡潔，在此不再贅述。
本發明實施例中的採樣矩陣獲取模塊301、布爾採樣矩陣獲取模塊302和採樣模塊303可以部署在同一個硬體設備上，也可以部署在不同的硬體設備上，或者部分模塊部署在同一個硬體設備上，本發明對此不作限制。
當採樣矩陣獲取模塊、布爾採樣矩陣獲取模塊部署在同一個設備(如伺服器)上，而採樣模塊部署在其他的設備(如可穿戴設備)時，採樣矩陣獲取模塊獲取到實數採樣矩陣且布爾採樣矩陣獲取模塊根據實數採樣矩陣獲取獲取到布爾採樣矩陣後，可以通過網絡傳輸或其他方式從將布爾採樣矩陣發送給採樣模塊所在的設備，然後該設備根據布爾採樣矩陣對目標信號進行採樣。
當採樣矩陣獲取模塊和採樣模塊布置在同一個設備(如可穿戴設備)上，而布爾採樣矩陣獲取模塊可以布置在其他設備(如伺服器)時，可穿戴設備上的採樣矩陣獲取模塊獲取到實數採樣矩陣後，可以將實數採樣矩陣發送給伺服器，伺服器上的布爾採樣矩陣獲取模塊根據該實數採樣矩陣獲取布爾採樣矩陣後，伺服器再將布爾採樣矩陣發送給可穿戴設備，最後可穿戴設備根據該布爾採樣矩陣對目標信號進行採樣。
當採樣矩陣獲取模塊、布爾採樣矩陣獲取模塊和採樣模塊部署在同一個設備或裝置上(如部署在同一個可穿戴設備)時，則該信號採樣裝置的示意性結構圖如圖4所示。
圖4中的信號採樣裝置400包括的採樣矩陣獲取模塊401、布爾採樣矩陣獲取模塊402和採樣模塊403的功能分別與圖3中的信號採樣系統300中的採樣矩陣獲取模塊301、布爾採樣矩陣獲取模塊302和採樣模塊303的功能相同或相似，為了簡潔，此處不再贅述。
圖5為本發明實施例的信號採樣裝置500的結構性示意圖。應理解，圖5的信號採樣裝置500能夠實現圖1中的信號採樣方法的各個步驟。
信號採樣裝置500包括存儲器501和處理器502。存儲器501用於存儲程序；處理器502用於執行存儲器501中的程序，當所述程序被執行時，處理器502用於：根據目標信號對應的應用數據得到與應用數據相關的採樣矩陣ψ，ψ為m行n列的實數矩陣，m和n為大於或等於1的整數；根據ψ獲取滿足下列的布爾採樣矩陣
其中，t為m行m列的矩陣，d為m行m列的對角矩陣；根據對目標信號進行採樣，得到採樣值。
可選地，作為一個實施例，處理器502可以具體用於：隨機初始化t的第一行t1；隨機初始化的第一行依次根據ψ和t的t1至第i-1行ti-1獲取的滿足下列條件的第i行
其中，i為大於1且小於或等於m的整數。
可選地，作為一個實施例，處理器502還可以用於根據ψ獲取滿足下列的布爾採樣矩陣
在使用與數據相關的布爾矩陣對數據進行採樣時，可以使用互補金屬氧化物半導體(complementarymetaloxidesemiconductor，cmos)或阻變式存儲器(resistiverandomaccessmemory，rram)來實現。
通常情況下，cmos的採樣能耗和面積小於rram的採樣能耗和面積，而rram的採樣時間小於cmos的採樣時間。
本領域普通技術人員可以意識到，結合本文中所公開的實施例描述的各示例的單元及算法步驟，能夠以電子硬體、或者計算機軟體和電子硬體的結合來實現。這些功能究竟以硬體還是軟體方式來執行，取決於技術方案的特定應用和設計約束條件。專業技術人員可以對每個特定的應用來使用不同方法來實現所描述的功能，但是這種實現不應認為超出本發明的範圍。
所屬領域的技術人員可以清楚地了解到，為描述的方便和簡潔，上述描述的系統、裝置和單元的具體工作過程，可以參考前述方法實施例中的對應過程，在此不再贅述。
在本申請所提供的幾個實施例中，應該理解到，所揭露的系統、裝置和方法，可以通過其它的方式實現。例如，以上所描述的裝置實施例僅僅是示意性的，例如，所述單元的劃分，僅僅為一種邏輯功能劃分，實際實現時可以有另外的劃分方式，例如多個單元或組件可以結合或者可以集成到另一個系統，或一些特徵可以忽略，或不執行。另一點，所顯示或討論的相互之間的耦合或直接耦合或通信連接可以是通過一些接口，裝置或單元的間接耦合或通信連接，可以是電性，機械或其它的形式。
所述作為分離部件說明的單元可以是或者也可以不是物理上分開的，作為單元顯示的部件可以是或者也可以不是物理單元，即可以位於一個地方，或者也可以分布到多個網絡單元上。可以根據實際的需要選擇其中的部分或者全部單元來實現本實施例方案的目的。
另外，在本發明各個實施例中的各功能單元可以集成在一個處理單元中，也可以是各個單元單獨物理存在，也可以兩個或兩個以上單元集成在一個單元中。
所述功能如果以軟體功能單元的形式實現並作為獨立的產品銷售或使用時，可以存儲在一個計算機可讀取存儲介質中。基於這樣的理解，本發明的技術方案本質上或者說對現有技術做出貢獻的部分或者該技術方案的部分可以以軟體產品的形式體現出來，該計算機軟體產品存儲在一個存儲介質中，包括若干指令用以使得一臺計算機設備(可以是個人計算機，伺服器，或者網絡設備等)執行本發明各個實施例所述方法的全部或部分步驟。而前述的存儲介質包括：u盤、移動硬碟、只讀存儲器(rom，read-onlymemory)、隨機存取存儲器(ram，randomaccessmemory)、磁碟或者光碟等各種可以存儲程序代碼的介質。
以上所述，僅為本發明的具體實施方式，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。因此，本發明的保護範圍應以權利要求的保護範圍為準。