Digital acquisition of high bandwidth signals is particularly challenging when Nyquist rate sampling is impractical. This has led to extensive research in sub-Nyquist sampling methods, primarily for spectral and sinusoidal frequency estimation. However, these methods struggle with high-dynamic-range (HDR) signals that can saturate analog-to-digital converters (ADCs). Addressing this, we introduce a novel sub-Nyquist spectral estimation method, driven by the Unlimited Sensing Framework (USF), utilizing a multi-channel system. The sub-Nyquist USF method aliases samples in both amplitude and frequency domains, rendering the inverse problem particularly challenging. Towards this goal, our exact recovery theorem establishes that $K$ sinusoids of arbitrary amplitudes and frequencies can be recovered from $6K + 4$ modulo samples, remarkably, independent of the sampling rate or folding threshold. In the true spirit of sub-Nyquist sampling, via modulo ADC hardware experiments, we demonstrate successful spectrum estimation of HDR signals in the kHz range using Hz range sampling rates (0.078\% Nyquist rate). Our experiments also reveal up to a 33-fold improvement in frequency estimation accuracy using one less bit compared to conventional ADCs. These findings open new avenues in spectral estimation applications, e.g., radars, direction-of-arrival (DoA) estimation, and cognitive radio, showcasing the potential of USF.


翻译:当奈奎斯特速率采样不切实际时,高带宽信号的数字采集尤为困难。这引发了对亚奈奎斯特采样方法的广泛研究,主要针对频谱和正弦频率估计。然而,这些方法难以处理可能导致模数转换器(ADC)饱和的高动态范围(HDR)信号。针对此问题,我们提出了一种新颖的亚奈奎斯特频谱估计方法,该方法基于无限传感框架(USF),并利用多通道系统。该亚奈奎斯特USF方法在幅度和频率域均对采样进行混叠,使得逆问题特别具有挑战性。为此,我们的精确恢复定理证明,任意幅度和频率的$K$个正弦波可以从$6K + 4$个模采样中恢复,值得注意的是,这与采样率或折叠阈值无关。秉承亚奈奎斯特采样的真正精神,通过模ADC硬件实验,我们展示了使用Hz范围采样率(0.078%奈奎斯特率)成功估计kHz范围HDR信号的频谱。我们的实验还表明,与常规ADC相比,使用少一位的模ADC可将频率估计精度提高高达33倍。这些发现为频谱估计应用(例如雷达、到达方向估计和认知无线电)开辟了新途径,展示了USF的潜力。

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