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基于ULA的MWC离散压缩采样结构在载波频率与到达角估计中的应用研究

作者及发表信息
本研究的通讯作者为哈尔滨工程大学信息与通信工程学院的Dapeng Pan（pandapeng@hrbeu.edu.cn），合作作者包括Tao Chen和Lizhi Liu。该研究于2017年7月21日发表在期刊*IEEE Access*（DOI: 10.1109/ACCESS.2017.2730223），并得到中国国家自然科学基金（61571146）和中央高校基本科研业务费（HEUCFP201769）的支持。

学术背景
本研究属于宽带信号处理与电子侦察领域，旨在解决传统宽带数字接收机在高采样率、复杂结构和跨通道信号问题上的局限性。随着电磁环境日益复杂，传统接收机面临严峻挑战。压缩采样理论（Compressed Sampling, CS）为构建新型宽带数字接收机提供了可能，而调制宽带转换器（Modulated Wideband Converter, MWC）是一种能够对稀疏多带信号实现均匀亚奈奎斯特采样的技术。然而，现有MWC系统在载波频率（Carrier Frequency, CF）和到达角（Angle of Arrival, AOA）联合估计方面存在不足。因此，本研究提出了一种基于均匀线性阵列（Uniform Linear Array, ULA）的MWC离散压缩采样结构，以实现高精度、低复杂度的CF和AOA联合估计。

研究流程与方法
1. 新型宽带数字接收机设计
- 信号模型：接收信号为离散时间域复信号，带宽限制在奈奎斯特频率范围内。
- MWC离散压缩采样结构：接收机包含M个并行分支，每个分支通过伪随机序列对信号进行混频，低通滤波后以低速率下采样，获得基带压缩采样数据。
- 优势：通过混频操作将跨通道信号频谱折叠到基带，灵活解决跨通道干扰问题；基带带宽小，显著提高灵敏度。

1. ULA-MWC系统设计

   • 阵列信号模型：假设远场单信号入射到M元ULA，阵元间距为半波长。
     
   • 循环移位伪随机序列：通过循环移位序列混频，保留载波频率与相位差信息。
     
   • 数据校正：利用相位补偿因子修正压缩采样数据的相位差，为AOA估计提供基础。
     

2. 载波频率估计

   • 子带索引估计：通过两分支压缩采样数据的比值分析，结合时延估计，确定信号所在的子带索引l′。
     
   • 基带频率估计：采用FFT频率估计方法获取基带信号的载波频率偏移Δf。
     
   • 最终频率计算：载波频率f′c = l′ × fp + Δf。
     

3. AOA估计

   • 相位校正：利用子带索引l′计算补偿因子，恢复真实的相位差。
     
   • MUSIC算法：对校正后的压缩采样数据应用多重信号分类（MUSIC）算法，通过搜索空间谱峰值确定AOA。
     

主要结果
1. 载波频率估计性能
- 在SNR ≥ -5 dB时，子带索引估计的均方根误差（RMSE）低于0.5，验证了方法的鲁棒性。
- 与传统重构信号方法相比，直接处理压缩采样数据的RMSE更低，尤其在低信噪比条件下优势显著。

1. AOA估计性能
   
   • 在SNR = 0 dB、快拍数100时，AOA估计的RMSE接近克拉美罗界（Cramer-Rao Bound, CRB）。
     
   • 随着快拍数增加，估计精度进一步提升，验证了算法的有效性。
     

结论与价值
本研究提出的ULA-MWC系统通过循环移位伪随机序列和相位校正，实现了CF和AOA的高精度联合估计，且无需重构原始信号，显著降低了计算复杂度。其科学价值在于为稀疏信号处理提供了新的亚奈奎斯特采样框架；应用价值体现在电子侦察和被动雷达系统中，可替代传统宽带接收机，解决高采样率和硬件成本问题。

研究亮点
1. 创新方法：首次将循环移位序列引入ULA-MWC系统，解决了混频导致的相位信息丢失问题。
2. 性能优势：在低信噪比和小快拍条件下仍保持高精度，优于基于重构的估计方法。
3. 工程适用性：系统可通过FPGA开发板实现，适合并行处理，硬件复杂度低。

其他价值
研究还探讨了多信号场景下的挑战，为未来扩展至多目标检测提供了方向。仿真实验部分详细分析了SNR和快拍数对性能的影响，为实际系统设计提供了参考依据。