基于多天线的新型压缩采样理论和方法研究

Compressed sensing/sampling is a new paradigm for signal and data acquisition. For signals that have inherent sparse structures, compressed sensing theories show that signals can be perfectly reconstructed though a sampling rate much lower than the Nyquist sampling rate. Most existing studies on compressed sampling-based wideband receivers assume that a single antenna is employed for signal acquisition, and thus suffer from some major technical limitations. The purpose of this research project is to explore new compressed sampling theories and techniques in a multi-antenna (phased array) framework. Our research consists of the following three aspects. First, we devise new sub-Nyquist sampling receiver architectures that are easy to implement, and meanwhile overcome the major drawbacks inherent in the current sub-Nyquist sampling architectures. Second, based on the new sub-Nyquist sampling architectures, we propose new signal processing methods to estimate the carrier frequencies and direction-of-arrivals associated with the narrowband signals spreading over a wide frequency band, as well as reconstruct these signals. Lastly, perfect recovery conditions for the signals and the associated parameters are analyzed. Our study will help develop new compressed sampling theories and methods, and substantially improve the potential of compressed sampling techniques for low-cost and energy-efficient ultra wideband spectrum sensing and electronic surveillance.

压缩采样是近年来信号处理领域诞生的一种新的信号处理理论，它可以突破奈奎斯特-香农采样定理的限制，以次奈奎斯特频率对信号采样并完成对信号的精确重构。目前大部分压缩采样的研究还局限在单天线的框架下，为了进一步释放压缩采样技术的潜力，在本项目中，我们拟开展多（阵列）天线框架下的新型压缩采样理论和方法的研究。具体来说，在阵列天线框架下，设计新型的、低复杂度、易实现的压缩采样机制，克服现有压缩采样机制的缺陷和不足；在此基础上设计新颖的信号处理方法，对分布于很宽频段范围内的多个窄带信号的载频和方向角进行精确的联合估计，并同时完成功率谱和信号的重构；探索在多天线压缩采样框架下相关参数和信号精确重构条件等基础性理论问题。本项目的研究，有助于进一步拓展压缩采样理论和方法，提升压缩采样的技术潜力，促进低成本、低功耗的压缩采样技术在无线通信、电子侦察等领域的开发和应用。

压缩采样是近年来信号处理领域诞生的一种新的信号处理理论，它可以突破奈奎斯特-香农采样定理的限制，以次奈奎斯特频率对信号采样并完成对信号的精确重构。目前大部分压缩采样的研究还局限在单天线的框架下，极大的制约了它在信号侦察和接收中的应用，比如：单天线压缩采样系统不具备测向能力，只能通过稀疏重构方法恢复原始高维信号，计算复杂度高，且对接收信噪比要求较高，降低了接收机的灵敏度。为了进一步释放压缩采样技术的潜力，在本项目中，我们在阵列天线框架下，开展了新型压缩采样理论和方法的研究。..具体研究内容和进展如下。一、研究了新型的、低复杂度、易实现的多天线压缩采样机制，提出了新颖的信号处理方法，所提方案可以用远低于奈奎斯特的采样频率完成对分布于很宽频段范围内的非合作辐射源的载频、到达角等信息的提取和信号的重构；二、针对散射体丰富的电磁传播环境，非合作辐射源通过未知的多径信道到达接收机，在此场景下，设计了新型的多天线压缩采样机制，并提出了相应的信号处理方法，所提方法可以在未知多径信道环境中实现对监测频段内非合作辐射源的信息提取和信号重构；三、分析了以上多天线压缩采样信号处理方法的信号重构的唯一性条件，给出了为满足宽带频谱监测所需的最低系统采样频率与系统参数的数学关系。..通过本课题的研究，解决了已有压缩采样技术对时延精度要求高、硬件实现复杂、在多径散射环境下无法工作的技术难题，提出了新颖的、便于硬件实现的多天线压缩采样接收机结构，设计了对应的信号处理方法，可以在远远低于奈奎斯特采样频率的条件下，在复杂多径信道环境下完成对宽带频谱的监测，研究成果进一步拓展和完善了压缩采样理论和方法，促进了压缩采样技术的发展，为低成本、低功耗的电子侦察技术提供了潜在的解决方案。