[發(fā)明專利]一種事件驅(qū)動型模/數(shù)轉(zhuǎn)換器及其壓縮采樣方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410582142.3
• 申請日: 2014-10-27
• 公開（公告）號: CN104467851A
• 公開（公告）日: 2015-03-25
• 發(fā)明（設計）人: 田震震;劉博曉;應忍冬;王國興
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: H03M1/12
• 分類號: H03M1/12;H03M7/30
• 代理公司: 上海漢聲知識產(chǎn)權代理有限公司 31236
• 代理人: 胡晶

技術領域

本發(fā)明涉及模/數(shù)轉(zhuǎn)換器領域，特別涉及一種事件驅(qū)動型模/數(shù)轉(zhuǎn)換器及其壓縮采樣方法。

背景技術

傳感器網(wǎng)絡是現(xiàn)實世界與計算機世界的接口，正是通過傳感器網(wǎng)絡，人們才能更快更準確地去了解進而改變現(xiàn)實世界，從而推動社會的發(fā)展。因其重要性，有專家指出在未來相當長的時期內(nèi)，整個半導體行業(yè)也將由其推動。然而在一些應用中，需要大規(guī)模布置傳感器節(jié)點并對信號進行長期檢測。對于電池供電的傳感器節(jié)點，超低功耗技術將極大延長整個網(wǎng)絡的使用壽命并減少因頻繁更換電池而增加的人工成本。與此同時，如何使傳感器節(jié)點能夠工作在超低功耗模式下也是一個巨大挑戰(zhàn)。

傳統(tǒng)的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器是由時鐘驅(qū)動采樣的，見圖13(b)時鐘驅(qū)動采樣。其時鐘頻率由奈奎斯特采樣頻率決定，即采樣頻率要等于或者高于信號最高頻率的兩倍。而如果對信號進行短時傅里葉分析可知，并非每一時段的信號都是按照最高頻率成分在變化的。因此如果統(tǒng)一對所有時段的信號都使用奈奎斯特采樣頻率進行采樣必然會浪費能量。尤其當信號時域稀疏且其最高頻率極高。一個極端的例子：單個脈沖信號，其時域即為稀疏，但是若按照奈奎斯特采樣定理，其采樣頻率將在理論上接近無窮。而現(xiàn)實生活中時域稀疏頻域復雜信號有很多，如：音頻信號，心腦電信號等等。

為了實現(xiàn)對時域稀疏且最高頻率相對較高信號的低功耗采樣，研究者們提出由事件驅(qū)動的采樣(Event-Driven?Sampling)，可以實現(xiàn)平均采樣率低于奈奎斯特采樣頻率的采樣。其基本思想在于當被觀測信號的變化量超過一定閾值門限，認為事件觸發(fā)，此時對信號進行采樣，參見圖13(a)事件驅(qū)動的采樣。因此信號的采樣點由一系列的時間和每個時間點對應的閾值所組成?的。在信號變化較緩時(靜息期)，所產(chǎn)生的采樣點較少，當信號變換劇烈時(活躍期)系統(tǒng)產(chǎn)生的采樣點較多。采樣點的少/多與靜息期/(活躍期)信號的信息量少/多相對應。與傳統(tǒng)時鐘驅(qū)動的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器相比，事件驅(qū)動采樣系統(tǒng)功耗低。而樣本量與信息量成正比的采樣方式另外一點好處在于其采樣數(shù)據(jù)傳輸壓力較小。因為數(shù)據(jù)量的減小必然降低信號傳輸段壓力。尤其在對于時域稀疏信號而言，因此系統(tǒng)角度上講這一采樣方法將極大降低系統(tǒng)整體功耗。

事實上，事件觸發(fā)的采樣系統(tǒng)并不是全新的。早在上世紀60年代托莫維奇(Tomovic)和貝奇(Bekey)等人就提出非均勻間隔的采樣策略。而在過去幾十年間，由于半導體行業(yè)主要研究集中點在如何提高計算的速度上。因此這一采樣思想并沒有被重視起來。而近年由于集成電路對超低功耗的需求，使得這一思想又重新回歸人們的視線里。哥倫比亞大學著名教授揚尼斯(Yannis?Tsividis)、美國塔夫茨大學大學(Turfts)的孫庫斯爾教授(Sonkusale)、荷蘭的瑟金教授(Serdijn)等多個團隊都對其展開了研究，并已經(jīng)發(fā)表了大量論文。

基于壓縮感知技術的事件驅(qū)動型模/數(shù)轉(zhuǎn)換器在實現(xiàn)超低功耗系統(tǒng)應用中有巨大潛力。但是由于這一技術處于剛剛起步階段，依然存在很多問題。例如圖14和圖15分別展示了閾值不隨信號改變的兩種情況。對于圖14，當信號變化較劇烈時，為了能夠使采樣點跟隨待采樣信號，需要將采樣閾值上下界的電壓差設置為一個較大數(shù)值。然而對于待采樣信號變化沒有那么劇烈的時段，采樣點過于稀疏和粗糙，信息量丟失嚴重，不利于信號還原。如果為了能夠在信號緩變時段不丟失信息量，閾值的上下界的電壓差需設置為一個較小數(shù)值，見圖15。但是由于電路自身跳變的時間延時問題，當信號變化較為劇烈時，上下界的變化速度無法跟隨信號的變化，此時信號丟失更加嚴重。由此可見固定閾值的方式不利于時域信號采樣。為了解決這一問題揚尼?斯教授(Tsividis)采用閾值上界隨時間階梯式減小的策略進行事件觸發(fā)采樣，見圖16。然而他所提出的策略一個致命的問題就在于：當閾值上界階梯式減小的那一刻，信號恰好變化到了這一時刻之前與這一時刻之后的中間，此時將會帶來信號采樣點的不確定(見圖16中圈出的采樣邊界不確定處)。孫庫斯爾教授(Sonkusale)提出閾值自適應的思想，見圖18。但是為了能夠改變閾值上下界，其電路實現(xiàn)時使用了兩個數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)，這就增加了芯片面積以及芯片的功耗；除此之外，兩個數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器因為實際生產(chǎn)的問題必然存在一定的偏差，這也會給系統(tǒng)帶來一定噪聲。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明針對上述現(xiàn)有技術中存在的問題，提出一種事件驅(qū)動型模/數(shù)轉(zhuǎn)換器及其壓縮采樣方法，其是基于壓縮感知技術的，克服了現(xiàn)有事件驅(qū)動型模/數(shù)轉(zhuǎn)換器在芯片面積、系統(tǒng)功耗以及控制方式上存在的缺陷。

為解決上述技術問題，本發(fā)明是通過如下技術方案實現(xiàn)的：

本發(fā)明提供一種事件驅(qū)動型模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，其包括：