[發明專利]一種分別量化信號低頻成分和高頻成分的量化系統和方法

在審

• 申請號: 202010854816.6
• 申請日: 2020-08-24
• 公開（公告）號: CN112130482A
• 公開（公告）日: 2020-12-25
• 發明（設計）人: 胡偉波;朱曉曼;馬偉;國千崧;燕翔;肖知明
• 申請（專利權）人: 南開大學深圳研究院;南開大學
• 主分類號: G05B19/042
• 分類號: G05B19/042
• 代理公司: 天津市亦略知識產權代理事務所(普通合伙) 12250
• 代理人: 黎鵬

本發明屬于信號采集及處理技術領域，提供了一種分別量化信號低頻成分和高頻成分的量化系統和方法，其中，系統包括：閉環放大器、模數轉換器、判斷電路、第一單向計數器、第二單向計數器和雙向計數器；方法包括：輸入信號和初始化反饋信號經過閉環放大電路的求差運算；將電壓信號轉換成二進制信號；判斷電路對二進制信號進行判斷；第一單向計數器和第二單向計數器進行加計數；雙向計數器根據控1信號和控2信號的輸出電平進行增計數或減計數；雙向計數器的輸出信號經過數模轉換器轉換成模擬信號，這個模擬信號經過緩沖后回到閉環放大器。本發明的一種分別量化信號低頻成分和高頻成分的量化系統和方法，降低了電路的設計難度、成本和功耗的特點。

技術領域

本發明涉及信號采集及處理技術領域，具體涉及一種分別量化信號低頻成分和高頻成分的量化系統和方法。

背景技術

在物聯網、無線通信或無線感知等技術領域，自然界信號的精準采集和量化是信號處理的前提之一。任何一個電信號都有低頻成分(直流成分)和高頻成分。在很多應用場景中，比如雷達監測或生物信號檢測等等，信號直流成分的幅度遠遠大于交流部分，但是，交流部分可能比直流部分帶有更多有效信息。

由于模數轉換器的動態輸入范圍有限，大幅度的直流部分會占據轉換器大部分的動態輸入范圍，從而導致交流部分的量化精度不夠，甚至在某些極端情況下，大幅度的直流部分會使轉換器飽和，不能正常工作。這影響了信號通路，嚴重危害了無線通信或者物聯網中的信號收集和信號處理。

如圖1所示的典型輸入信號示意圖，低頻成分(甚至直流成分)幅度遠大于高頻成分的幅度。對這種信號進行量化時，常用的處理方法是交流耦合(如圖2所示)和直流量化(如圖3所示)，交流耦合是依賴電容隔直原理濾除信號的直流成分，只有交流成分可以通過隔離電容，到達后續電路輸入端，在后續電路輸入端，通過一個直流偏置電阻接入一個新直流偏置電壓。這個直流偏置電壓可以是后續電路輸入范圍的中間值，如此，信號交流成分可以充分使用后續電路(轉換器)的動態電路輸入范圍，其中，交流耦合處理方法存在以下缺點，在消除直流偏移同時會抑制高頻成分，導致低頻成分信息丟失和高頻成分失真。此外，交流耦合在濾除直流偏移量要依賴于電容，芯片內大電容會導致芯片面積較大，芯片外大電容導致成本變大和穩定性問題；而對于直流量化而言，使用一個動態范圍很大的轉換器，把直流成分和交流成分都量化，為了既保證交流成分有足夠量化精度又保證轉換器能量化直流成分而不飽和，轉換器往往需要很大的動態范圍，其中，直流成分的缺點是需要一個動態范圍很大的轉換器。這種轉換器難于實現，成本很高，功耗很大。

發明內容

針對現有技術中的缺陷，本發明提供的一種分別量化信號低頻成分和高頻成分的量化系統和方法，將信號調節至可正常處理的信號范圍，既保留了信號的低頻成分和高頻成分，又實現了對高頻部分高精度量化，在保證性能前提下，降低了電路的設計難度、成本和功耗的特點。

為了解決上述技術問題，本發明提供以下技術方案：

一種分別量化信號低頻成分和高頻成分的量化系統，包括閉環放大器，閉環放大器的輸出端連接模數轉換器的輸入端，模數轉換器的輸出端連接判斷電路的輸入端，判斷電路的一路輸出連接用于記錄信號過高次數的第一單向計數器，判斷電路的另一路輸出連接用于記錄信號過低次數的第二單向計數器，第一單向計數器和第二單向計數器的輸出端分別連接雙向計數器的輸入端，雙向計數器的多位并行輸出端連接數模轉換器的輸入端，數模轉換器的輸出端依次連接分壓電阻和緩沖器，緩沖器的輸出端連接閉環放大器的一路輸入端，閉環放大器的另一路輸入端連接輸入信號。

進一步地，所述模數轉換器為奈奎斯特模數轉換器，奈奎斯特模數轉換器的輸入端連接閉環放大器的輸出端，奈奎斯特模數轉換器的N-M位輸出端分別連接判斷電路的輸入端。