抗干扰压缩采样的制作方法

抗干扰压缩采样的制作方法
【专利摘要】实施例提供了在频率范围能够超过1GHz的先进通信应用中显著改进的干扰抑制。这样的实施例可以使用宽带技术来实施以提供宽带压缩采样机制，该宽带压缩采样机制能够通过RF前端消除来进行优良的干扰抑制。
【专利说明】抗干扰压缩采样
[0001]相关申请
[0002]本申请要求于2011年6月8日递交的美国临时申请号61/494，604的优先权。
[0003]上述申请的全部教导通过引用的方式并入本文。
【技术领域】【背景技术】
[0004]压缩采样(CS)为无线通信系统提供了趣味横生的新机会。包括天线阵列处理、多路径估计以及干扰抑制的多种功能受到了高速运行大量样本这一需求的严重限制。而且，传统采样技术所需的高模拟/数字转换(ADC)速率是极其耗电的，因而阻止了许多新的应用，尤其是在宽带宽方面的应用。CS通过从远少于传统奈奎斯特(Nyquist)采样的样本中使得信号得以恢复而解决这些问题。

【发明内容】

[0005]本发明的实施例提供在频率范围能够超过IGHz的先进通信应用中显著改进的干扰抑制。这样的实施例可以使用宽带技术来实施以提供宽带压缩采样机制，该宽带压缩采样机制能够通过RF前端消除来进行优良的干扰抑制。
[0006]本发明的实施例包括一种用于对信号进行采样的电路。该电路可以包括衰减器、混合器、积分器和采样保持电路。该衰减器可以被配置为接收码片序列(chippingsequence)和衰减值，所述衰减器基于所述衰减值衰减所述码片序列以输出对应的混合序列。混合器接收数据信号，并根据所述混合序列调制所述数据信号，并生成调制后数据信号。积分器接收所述调制后数据信号并生成过滤后调制数据信号。采样保持电路对所述过滤后调制数据信号进行采样以提供采样后数据信号。
[0007]在进一步的实施例中，可以生成所述衰减值以衰减所述码片序列，使得所述混合序列能够使得所述混合器消除所述数据信号中的干扰。所述衰减值可以是基于与所述数据信号内包含的感兴趣的信号、所述数据信号内的预测噪声、以及所述数据信号内的预测干扰中的一个或多个相关的信息而生成的。所述码片序列是随机序列或预定图案。
[0008]本发明进一步的实施例可以包括一种射频(RF)前端电路，该电路包括预采样前端电路和上述的压缩采样电路。该预采样前端电路可以被配置为从天线接收模拟RF信号并输出数据信号。所述前端还可以包括被配置为处理所述采样后数据信号的数字处理器。所述数字处理器还可以被配置为执行信号能量检测、过滤感兴趣的信号、分类以及解调中的一个或多个。所述数字处理器可以在多个参数下运行，所述多个参数包括由于所述压缩采样电路进行的干扰消除导致的没有干扰的采样后数据信号。
【专利附图】

【附图说明】
[0009]前述内容将从如图中所示的本发明的示例实施例的更详细描述中变得清晰，在附图中，贯穿不同的视图，类似的附图标记指代相同的部分。附图并不是必然按比例绘制，相反地，重点是要放在示意本发明的实施例上。
[0010]图1示出了压缩传感测量。
[0011]图2示出了 RMPI采样。
[0012]图3是特征为抗干扰压缩采样的压缩采样装置的示例性实施例的操作框图。
[0013]图4示出了示例性Φ IC公式化矩阵。
[0014]图5示出了示例性抗干扰宽带压缩采样器。
[0015]图6示出了抗干扰宽带压缩采样器与后端现场可编程门阵列(FPGA)和数字信号处理器(DSP)进行交互的实施例。
【具体实施方式】
[0016]本文引用的所有专利、公开应用和参考文献的教导通过引用的方式以其整体内容并入于此。
[0017]为了更好地理解问题领域，给出了关于CS理论内信号基础信息含义的简短描述。两个关键概念构成了压缩采样模式的基础:稀疏度和非相干性[I]。稀疏度说明连续时间信号的信息速率能够远小于它的带宽所建议的信息速率，或者离散信号的自由度数量能够远小于它的长度所建议的自由度数量。当以合适的基(basis)表达时，完全能够用相当少数量的样本来表达该信号。非相干性是这样的概念:在基(Ψ)中稀疏的信号(X)必须在它的测量基(Φ)中密集化。一个示例是尖峰(三角函数)和正弦曲线之间的关系。从算术上而言，这与对傅里叶(表达基)转换后信号进行采样(测量基)的物理处理相对应。通常而言，压缩采样是通过采用长度为N的信号X的M个测量(被表达为Ψs，s是稀疏度矢量，包含K个非零项(entries))形成测量矢量y来执行的。可以使用适当的算法基于y而重建信号X0测量处理如图1所示。
[0018]在通信文献资料中，压缩传感系统中干扰消除的问题正在开始受到更多的关注。在最近的一示例中，参考文献[2]的作者模拟了宽带压缩射频接收器，该宽带压缩射频接收器能够获取并跟踪宽带宽上的窄带信号，消除干扰并隔离感兴趣的信号。参考文献[3]的作者也已经在压缩域研究了干扰问题，论证了在信号恢复之前进行消除的好处。在这两种情况中，作者使用干扰信号的基支持(basis support)的先验(priori )知识来将它们从目标信号中分离出来。测量是通过投射到与干扰空间正交的空间进行的。参考文献[4]的作者针对该问题采取了稍微不同的方法，他使用了最小均方误差(MMSE)技术来改善SNR性能，假设了干扰信号的先验统计知识。
[0019]在本发明的实施例中，通过将干扰消除放在CS接收器的RF前端中，在该处理链中比这些先验尝试更早地消除干扰。
[0020]在接收器的模拟到信息(A/Ι)转换机制的设计中能够采用数种方法。Candes和ffakin[l]给出了两种这样的机制。他们的非均匀采样器在随机采样时间点将信号数字化。这能够用于具有稀疏频谱(尖峰和正弦是非相干的)的信号的压缩表达。第二种机制是随机调制预积分(RMPI)。
[0021]图2是示出RMPI采样的框图。这里，将该信号乘以±ls的随机频率，在时间窗上积分，然后在时间间隔的末端采样。随机对映序列(antipodal sequence)是通用测量处理，因而与任何时-频基(例如，Gabor词典)均不相干。然后，能够使用输出测量来利用适当的算法重建初始信号。在参考文献[2]中，RMPI用于A/Ι转换。这里，随机解码器将N个奈奎斯特速率样本与随机土 I序列相乘，通过将每个N/M顺序系数相加生成M个测量。因而，N=LM,其中，L是奈奎斯特速率与积分后低速ADC (采样保持以及伴随编码器(quantizer))的速率之间的比值。
[0022]图3是压缩采样装置300的示例性实施例的操作框图。该装置300包括RF模拟前端302和数字信号处理器304。该RF模拟前端302包括预采样电路306和抗干扰压缩采样电路308。然后，采样信号可被转发至数字信号处理器304，该数字信号处理器304可以执行信号重建310、信号能量检测312、感兴趣的信号的过滤314、分类316以及解调318。
[0023]宽带压缩采样器的实施例提供了能够向先前的CS技术传递优良干扰性能的测量集。通过在RF前端电路中消除干扰，没有必要如参考文献[2]、[3]和[4]中所实施的那样依赖于后端DSP来执行该功能。通过这一点，强窄带干扰可能已经使得所收集样本的测量变差到实际上可能无法恢复初始信号的程度。本发明的实施例通过引入标准RMPI A/Ι转换的新的提取(take)来避免这一问题。
[0024]在本发明的示例性实施例中，通过利用能够抑制干扰的序列代替随机±1序列，能够修改RMPI方法(如以上参照图2所述)。回忆一下，在RMPI中使用的对映随机序列普遍是与任何时-频基不相干的[I]。尽管这允许以相当多的灵活性来测量感兴趣的信号，然而，很显然，它对于整个时-频面上的干扰不具有明确的抵抗性。用针对干扰消除而设计的序列来代替这些序列，提供了创建如下测量基的可能性:该测量基与感兴趣的信号强相干但是与干扰信号弱相干。参考文献[5]的作者也通过引入码片谱分布作为进一步的自由度而考虑了改善RMPI测量的问题。他们论证了当信号位于频域中时能够具有显著的重建改善。虽然没有提及进行干扰消除，但是他们的研究为建议的方案提供了凭证。
[0025]一个挑战在于使用其几何和/或统计的先验知识来设计抗干扰序列。如前文所提及的，当目标信号和干扰信号不是充分正交时，如参考文献[2]、[3]中所述，使用已知基支持来创建没有干扰的投射矩阵遇到了 SNR难度，而我们将一开始就集中在如参考文献[4]中所描述的基于MMSE的方法上。该方法需要关于信号、干扰和噪声协方差矩阵的知识。从这些矩阵中，作者推导出了干扰消除线性算子Pmmse= (Φ05Φ*)
其中，Φ是测量基，CS，CJPCW是信号、干扰和噪声协方差矩阵。不是像他们那样将该算子应用于后端，本发明的实施例通过将该算子并入到测量处理中而将该算子应用于前端。
[0026]该过程与参考文献[2]的可比较之处在于作者还使用线性算子将X的样本映射到测量y的集合。然而，不是如同他们那样使用Φ作为算子，本发明的实施例改为使用先验协方差知识来创建算子P msE。在标准RMPI中，该测量基可以是随机对映序列的集合，该随机对映序列现在通过应用干扰消除算子而能够抗干扰。
[0027]图4示出了创建Pmmse算子的公式化矩阵。输入数据信号的调制是通过这些修改过的序列执行的。为了标示简单，将把算子Pmbe称为Φκ以将它指定为干扰消除测量基。因而，在RF前端进行干扰消除，这与参考文献[2]中在后端执行干扰消除是相反的。第二个挑战是使用相对复杂的序列来设计奈奎斯特速率调制器。尽管± Is用硬件实施起来相对简单，然而以高速率生成高精度值可能需要精密(sophisticated)衰减器和高速串行接口。对于公式化矩阵构架的详细描述，参见参考文献[4]。
[0028]图5示出了示例性实施例中的宽带压缩采样器500，该宽带压缩采样器500实现符合RMPI的混合器502、积分器504和低速采样保持电路506。通过衰减器510衰减对映码片序列508，使得码片序列变为测量算子Φκ的行子矩阵。与Φκ行相对应的衰减值512在FPGA中生成并且经由高速接口被传递至衰减器。该二进制对映码片序列被衰减了与这些值相对等的量。结果是，由于确定性协方差信息的并入，该码片序列是伪随机的。在可替代的实施例中，码片序列可以是预定义图案或者其他非随机序列。长度为N的信号X通过长度为L的码片序列被调制然后在窗口 LT上被积分，其中，T是奈奎斯特采样时间。然后，该信号经过采样保持并被传递至编码器(例如，西格玛-德尔塔(Σ Λ )转换器)。来自该压缩采样器的输出是I的M个分量(回忆一下，N=LM)0
[0029]然后，给出表达基Ψ，使用合适的算法基于测量y而重建信号X。由于测量过程中的消除，因而重建的信号X是没有干扰和噪声的RF信号x(t)的数字化版本。例如，使用L1最小化技术，对于K-稀疏信号的高概率重建，所需测量的数量是M > cKlog(N/K) [4]。可替代地，将采用诸如正交匹配追 踪之类的贪婪算法。
[0030]在一些实施例中，混合器、积分器和低速采样保持电路可以根据名称为“宽带模拟射频组件”的国际专利申请号PCT/US2011/024542的教导而制成，该专利申请的教导通过引用的方式以其整体并入于此。
[0031]可以测量图5所示的压缩采样器的性能来确定干扰消除的效果。能够在压缩测量之后、量化之前被测量的关键性能指标是针对给定SIR的SNR对K1As，其中，SNR是信噪比，K1As是干扰与感兴趣的信号之间的稀疏比，而SIR是信号对干扰比。针对期望的SIR范围内的所有1/1^，目标值可以是≥72dB。鉴于满足噪声指数(noise figure)和动态范围要求的这一需要，测量的数量可以大于重建所需的最小数量，并且受限同构特性(restrictedisometry property)[5]必须满足足够的程度以确保期望的性能等级。12dB的噪声指数将与其他压缩感测获取接收器一致，同时72dB动态范围将表现出足够的SNR以从模数转换器获取12比特的分辨率。
[0032]可以选择合适的算法来重建信号。有两类主要的用于压缩采样信号重建目的的算法，当然也可以采用其他算法。一类算法包括用来最小化L-norm的算法。一个示例是Lasso算法。其他类的算法包括贪婪算法。这些算法借助用词典集合采用测量信号的连续最高相关值(例如通过内积)形成了快速近似的表达。一个示例是匹配追踪或正交匹配追踪。
[0033]图6示出了抗干扰宽带压缩采样器与后端FPGA和DSP进行交互的示例，如图3所示的信号重建算法和其他数字处理在FPGA和DSP处被执行。如图所示，抗干扰宽带压缩采样器的采样保持电路与ADC (例如，德尔塔-西格玛转换器)进行交互，该ADC与FPGA/DSP后端进行交互。可以如图6所示使用诸如Cypress半导体的CY8C55之类的芯片上可编程系统(PSoC)来执行信号重建。如先前提及的诸如能量检测、过滤、分类以及解调之类的连续的数字处理任务可以使用FPGA和/或DSP来执行。这些任务可以通过传统装置来执行，当然数字处理器也可以如以上参照图3所述那样省略干扰消除。通过省略数字干扰消除，该数字处理器可以在多个参数下运行，所述多个参数包括由于压缩采样电路进行的干扰消除导致的没有干扰的采样后数据信号输入。在可替代的实施例中，该数字处理器可以实施冗余或补充干扰消除以进一步增强性能。[0034]参考文献
[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]虽然，已经示出并参照本发明的示意实施例描述了本发明，然而，本领域技术人员应当理解，可以在不脱离所附权利要求所包含的本发明范围的情况下对于本文进行形式和细节上的各种改变。
【权利要求】
1.一种用于对信号进行采样的电路，包括: 衰减器，被配置为接收码片序列和衰减值，所述衰减器基于所述衰减值衰减所述码片序列以输出对应的混合序列； 混合器，被配置为接收数据信号并根据所述混合序列调制所述数据信号，所述混合器生成调制数据信号； 积分器，被配置为接收所述调制数据信号并生成过滤后调制数据信号；以及 采样保持电路，被配置为对所述过滤后调制数据信号进行采样。
2.根据权利要求1所述的电路，其中，所述衰减值被生成为衰减所述码片序列，从而所述混合序列能够使得所述混合器消除所述数据信号中的干扰。
3.根据权利要求2所述的电路，其中，所述衰减值是基于与所述数据信号内包含的感兴趣的信号、所述数据信号内的预测噪声以及所述数据信号内的预测干扰中的一个或多个相关的信息而生成的。
4.根据权利要求1所述的电路，其中，所述码片序列是随机序列。
5.根据权利要求1所述的电路，其中，所述码片序列是预定图案。
6.一种射频(RF)前端电路，包括: 预采样前端电路，被配置为从天线接收模拟RF信号并输出数据信号；以及 压缩采样电路，被配置为对所述数据信号进行采样，所述压缩采样电路包括: 衰减器，被配置为接收码片序列和衰减值，所述衰减器基于所述衰减值衰减所述码片序列以输出对应的混合序列； 混合器，被配置为接收数据信号并根据所述混合序列调制所述数据信号，所述混合器生成调制数据信号； 积分器，被配置为接收所述调制数据信号并生成过滤后调制数据信号；以及 采样保持电路，被配置为对所述过滤后调制数据信号进行采样以生成采样后数据信号。
7.根据权利要求6所述的电路，其中，生成所述衰减值以对所述码片序列进行衰减，从而所述混合序列能够使得所述混合器消除所述数据信号中的干扰。
8.根据权利要求7所述的电路，还包括数字处理器，被配置为处理所述采样后数据信号。
9.根据权利要求8所述的电路，其中，所述数字处理器还被配置为执行信号能量检测、过滤感兴趣的信号、分类以及解调中的一个或多个。
10.根据权利要求8所述的电路，其中，所述数字处理器在多个参数下运行，所述多个参数包括由于所述压缩采样电路进行的干扰消除导致的没有干扰的采样后数据信号。
11.一种压缩米样的方法，包括: 接收码片序列和衰减值； 基于所述衰减值对所述码片序列进行衰减以输出对应的混合序列； 根据所述混合序列调制所述数据信号以生成调制数据信号； 通过积分器生成过滤后调制数据信号；以及 对所述过滤后调制数据信号进行采样。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，衰减所述码片序列提供了所述数据信号中的干扰消除。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，衰减所述码片序列是基于与所述数据信号内包含的感兴趣的信号、所述数据信号内的预测噪声以及所述数据信号内的预测干扰中的一个或多个相关的信息。
14.根据权利要求11所述的方法，其中，所述码片序列是随机序列。
15.根据权利要求11所述的方法，其中，所述码片序列是预定图案。
【文档编号】H03M7/30GK103765780SQ201280027560
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2012年6月8日 优先权日:2011年6月8日
【发明者】贾伊·古普塔 申请人:纽兰斯公司