超宽带通信数字接收机的压缩采样技术研究

超宽带（UWB）通信技术是下一代无线电通信的关键技术之一。UWB信号的带宽达到数GHz，直接采样UWB信号的采样率高达10GHz以上，在目前工艺水平下，超宽带通信数字接收机所需的高采样率器件难以实现。依据UWB信号以及UWB信道的稀疏性，项目采用国际上近几年新兴的压缩感知理论，研究超宽带通信信号的压缩采样方法，实现以欠采样的方式高概率重构UWB通信信号。即通过理论研究与仿真分析、构建UWB通信信号压缩采样半实物实验系统等方式，主要研究UWB信号的稀疏性及其稀疏度表示、UWB通信信道物理特性及其对压缩采样方式的影响、压缩采样测量矩阵设计和硬件实现方法，以及UWB通信信号重构算法和检测方法，重点解决UWB通信信号压缩采样测量模块实现困难的问题。项目研究成果将为超宽带通信系统中数字接收机的瓶颈问题突破提供技术支撑，为超宽带通信技术的广泛应用奠定坚实的基础。

无载波脉冲超宽带（IR-UWB）通信利用极窄脉冲的幅度或位置调制信息，信号带宽高达500MHz，对其直接采样代价过高，目前硬件实现困难。基于新兴的压缩感知理论，项目研究了脉冲超宽带通信接收信号的压缩采样方法，主要包括IR-UWB通信信号的稀疏表示，压缩观测矩阵构造及其优化，压缩感知重建算法，基于模拟信息转换技术的欠采样UWB信号检测，以及IR-UWB通信信号压缩采样半实物仿真实验系统研制。主要成果：基于字典学习的蔟稀疏表示和基于变换域的稀疏表示方法；基于Walsh变换的确定性压缩观测矩阵构造，以及结合信号重建的协同优化方法；典型非凸化低信噪比下压缩感知信号重建算法，基于贝叶斯压缩感知以及基于凸松弛的UWB信号重建算法；基于参考信号分段积分的PAM-UWB信号检测和信息解调方法，基于码元能量的PPM-UWB信号检测和信息解调方法；以及支撑IR-UWB通信压缩采样实验的半实物仿真实验系统。大量实验表明：在信噪比不低于15dB，IR-UWB信号压缩采样频率低至奈奎斯特采样频率的25%时，压缩采样信号重构成功概率达到85%，信号检测正确率约91.8%。课题研究成果对超宽带数字通信接收机设计和超宽带通信技术广泛应用有重要参考价值。