CN103532552B - 一种随机采样斜率模数转换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种随机采样斜率模数转换器，包括依次连接的斜率信号发生器、比较器和计数器，斜率信号发生器产生的参考信号和来自外部的输入信号分别输入比较器的一端在比较器中进行比较，同时计数器开始计数，该随机采样斜率模数转换器还包括：一限幅器，来自外部的该输入信号是通过该限幅器输入比较器的一端，并且该限幅器依据该输入信号的幅值来控制该斜率信号发生器生成不同斜率的参考信号。利用本发明，解决了现有随机采样斜率模数转换器在输入信号幅值较小时采样频率较高以及输入信号幅度值较大时对计数器要求较高的问题。

Description

一种随机采样斜率模数转换器

技术领域

本发明涉及一种随机采样斜率模数转换器，旨在解决现有随机采样斜率模数转换器在输入信号幅值较小时采样频率较高以及输入信号幅度值较大时对计数器要求较高的问题。

背景技术

美国电信工程师H.奈奎斯特于1928年首先提出奈奎斯特采样定理，该定理指出，为了无失真的由采样值重构出原始信号，信号的采样频率必须大于等于两倍信号的最高频率。该理论已成为所有信号获取、处理、存储和传输阶段的基础，但是随着信息处理技术和无线传感技术的发展，所要处理的数据量越来越大、信号的频率也越来越高，按照奈奎斯特采样定理，所需要的采样频率就非常高，这给数据采集端带来了很大的压力，同时采集的数据量非常庞大，这给接下来的数据处理、存储和传输也带来了很大的压力。另外，奈奎斯特采样定理只开发利用了被采集信号最少的先验信息，即信号的带宽，并没有利用信号本身具有的一些结构特点，如冗余等。

近几年来兴起的压缩感知理论，充分利用信号的本身的稀疏特性，通过选取合适的投影矩阵，把原始高维信号投影到低维空间，得到低维采样值，实现信号的“边采样边压缩”，即压缩和采样同时进行，直接获取的采样值就是压缩之后的采样值，然后通过求解优化问题来从这些少量的投影中重构出原始高维信号。

目前压缩感知理论为了获得“边采样边压缩”的观测，采用的典型物理实现方法有周期性非均匀采样、模拟信息转换器、随机滤波器采样和随机采样斜率模数转换器。其中，随机采样斜率模数转换器具有硬件实现简单的优点，但是具有在输入信号幅值较小时采样频率较高以及输入信号幅度值较大时对计数器要求较高的问题。本发明就是针对这两个问题提出了改进措施，加入前级限幅器，降低采样频率以及对计数器的要求。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种随机采样斜率模数转换器，旨在解决现有随机采样斜率模数转换器在输入信号幅值较小时采样频率较高以及输入信号幅度值较大时对计数器要求较高的问题。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种随机采样斜率模数转换器，包括依次连接的斜率信号发生器、比较器和计数器，斜率信号发生器产生的参考信号和来自外部的输入信号分别输入比较器的一端在比较器中进行比较，同时计数器开始计数，该随机采样斜率模数转换器还包括：一限幅器，来自外部的该输入信号是通过该限幅器输入比较器的一端，并且该限幅器依据该输入信号的幅值来控制该斜率信号发生器生成不同斜率的参考信号。

上述方案中，该输入信号的幅值越接近该限幅器的最大幅值，则该斜率信号发生器生成的参考信号的斜率越接近预设的最大斜率，反之，该输入信号的幅值越接近该限幅器的最小幅值，则该斜率信号发生器生成的参考信号的斜率越接近预设的最小斜率。

上述方案中，该斜率信号发生器为变斜率信号发生器，其生成的参考信号的斜率受该输入信号的幅值的控制。

上述方案中，该比较器比较斜率信号发生器产生的参考信号和来自外部的输入信号，当参考信号的幅值等于输入信号的幅值时，记下当前时刻计数器的计数值，并将斜率信号发生器复位，然后根据记录的计数器的计数值并结合计数器的时钟频率以及参考信号的斜率确定参考信号与输入信号相等时的输入信号的幅值，该输入信号的幅值即为所得压缩采样值。

上述方案中，所述根据记录的计数器的计数值并结合计数器的时钟频率以及参考信号的斜率确定参考信号与输入信号相等时的输入信号的幅值，是根据以下公式实现的：

y_m＝(C_m-C_m-1)·k_m·T₀

其中，y_m为输入信号的幅值，k_m为参考信号的斜率，T₀为计数器的时钟周期，C_m为当前时刻计数器的计数值且C₀＝0。

(三)有益效果

本发明的特点在于，本发明是在现有随机采样斜率模数转换器的基础上引入限幅器，该限幅器能够依据输入信号的幅度值来控制斜率信号发生器以生成不同斜率的参考信号，当输入信号幅度值较大时，参考信号的斜率比较大，计数器的最大计数器不需要很大就可以实现对其压缩采样；当输入信号幅度值较小时，参考信号的斜率比较小，可以降低采样频率，解决现有随机采样斜率模数转换器在输入信号幅值较小时采样频率较高以及输入信号幅度值较大时对计数器要求较高的问题。

附图说明

为了更进一步说明本发明的内容，以下结合附图对本发明做详细描述，其中：

图1是现有的随机采样斜率模数转换器的示意图；

图2是现有的随机采样斜率模数转换器压缩采样的示意图；

图3是本发明提供的随机采样斜率模数转换器的示意图；

图4是本发明提供的随机采样斜率模数转换器压缩采样的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

图1所示是现有的随机采样斜率模数转换器的示意图，图2所示是现有的随机采样斜率模数转换器压缩采样示意图，现有的随机采样斜率模数转换器采用固定斜率k₀的参考信号与输入信号进行比较。

图3所示是本发明提供的改进的随机采样斜率模数转换器原理图，在图1现有随机采样斜率模数转换器原理图的基础上增加了前级限幅器，图4所示是本发明提供的改进的随机采样斜率模数转换器压缩采样的示意图。

参照图3和图4，本发明提供的随机采样斜率模数转换器，包括依次连接的斜率信号发生器、比较器和计数器，以及还包括限幅器，来自外部的该输入信号是通过该限幅器输入比较器的一端，并且该限幅器依据该输入信号的幅值来控制该斜率信号发生器生成不同斜率的参考信号；斜率信号发生器产生的参考信号和来自外部的输入信号分别输入比较器的一端在比较器中进行比较，同时计数器开始计数，当参考信号的幅值等于输入信号的幅值时，记下当前时刻计数器的计数值，并将斜率信号发生器复位，然后根据记录的计数器的计数值并结合计数器的时钟频率以及参考信号的斜率确定参考信号与输入信号相等时的输入信号的幅值，该输入信号的幅值即为所得压缩采样值；其中，根据记录的计数器的计数值并结合计数器的时钟频率以及参考信号的斜率确定参考信号与输入信号相等时的输入信号的幅值，是根据以下公式实现的：

y_m＝(C_m-C_m-1)·k_m·T₀

其中，y_m为输入信号的幅值，k_m为参考信号的斜率，T₀为计数器的时钟周期，C_m为当前时刻计数器的计数值且C₀＝0。

在本发明中，该输入信号的幅值越接近该限幅器的最大幅值，则该斜率信号发生器生成的参考信号的斜率越接近预设的最大斜率，反之，该输入信号的幅值越接近该限幅器的最小幅值，则该斜率信号发生器生成的参考信号的斜率越接近预设的最小斜率。该斜率信号发生器为变斜率信号发生器，其生成的参考信号的斜率受该输入信号的幅值的控制。

再次参照图3和图4，本发明提供的随机采样斜率模数转换器，其具体包括以下步骤：

步骤1：由斜率信号发生器产生一定斜率的参考信号，该参考信号的幅值从一固定初始值-A开始以某一个斜率随着时间的增长不断增大；这里的斜率信号发生器为变斜率信号发生器，如图3所示，其生成的参考信号的斜率受输入信号幅度值的控制，如图4所示，当信号幅值大于某一预设值A₀时，斜率信号发生器生成的参考信号斜率为k₁，当信号幅值小于某一预设值A₀时，斜率信号发生器生成的参考信号斜率为k₂，这里k₁＞k₂。

步骤2：把步骤1中生成的参考信号和输入信号同时送入比较器的两端进行比较，并让计数器开始计数，当参考信号的幅值等于输入信号的幅值时，记下当前时刻的计数器的计数值，并把斜率信号发生器复位；

步骤3：根据步骤2中记录下来的计数器的计数值，结合计数器的时钟频率以及参考信号的斜率确定参考信号与输入信号相等时的输入信号的幅值，即为所得压缩采样值；这里采样值的计算公式为：

y_m＝(C_m-C_m-1)·k_m·T₀

其中，k_m为参考信号的斜率(这里k_m的取值为k₁或者k₂)，T₀为计数器的时钟周期，C_m为当前时刻计数器的计数值(C₀＝0)。

本发明提供的随机采样斜率模数转换器，是在现有随机采样斜率模数转换器的基础上引入限幅器，该限幅器能够依据输入信号的幅度值来控制斜率信号发生器以生成不同斜率的参考信号，输入信号的幅度值越接近限幅器的最大幅值，则参考信号的斜率越接近预设的最大斜率，反之，输入信号的幅度值越接近限幅器的最小幅值，则参考信号的斜率越接近预设的最小斜率。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种随机采样斜率模数转换器，包括依次连接的斜率信号发生器、比较器和计数器，斜率信号发生器产生的参考信号和来自外部的输入信号分别输入比较器的一端在比较器中进行比较，同时计数器开始计数，其特征在于，该随机采样斜率模数转换器还包括：

一限幅器，来自外部的该输入信号是通过该限幅器输入比较器的一端，并且该限幅器依据该输入信号的幅值来控制该斜率信号发生器生成不同斜率的参考信号；

其中，该比较器比较斜率信号发生器产生的参考信号和来自外部的输入信号，当参考信号的幅值等于输入信号的幅值时，记下当前时刻计数器的计数值，并将斜率信号发生器复位，然后根据记录的计数器的计数值并结合计数器的时钟频率以及参考信号的斜率确定参考信号与输入信号相等时的输入信号的幅值，该输入信号的幅值即为所得压缩采样值。

2.根据权利要求1所述的随机采样斜率模数转换器，其特征在于，该输入信号的幅值越接近该限幅器的最大幅值，则该斜率信号发生器生成的参考信号的斜率越接近预设的最大斜率，反之，该输入信号的幅值越接近该限幅器的最小幅值，则该斜率信号发生器生成的参考信号的斜率越接近预设的最小斜率。

3.根据权利要求1所述的随机采样斜率模数转换器，其特征在于，该斜率信号发生器为变斜率信号发生器，其生成的参考信号的斜率受该输入信号的幅值的控制。

4.根据权利要求1所述的随机采样斜率模数转换器，其特征在于，所述根据记录的计数器的计数值并结合计数器的时钟频率以及参考信号的斜率确定参考信号与输入信号相等时的输入信号的幅值，是根据以下公式实现的：

y_m＝(C_m-C_m-1)·k_m·T₀

其中，y_m为输入信号的幅值，k_m为参考信号的斜率，T₀为计数器的时钟周期，C_m为当前时刻计数器的计数值且C₀＝0。