CN103902133A

CN103902133A - 电磁触控接收装置和方法

Info

Publication number: CN103902133A
Application number: CN201410118241.6A
Authority: CN
Inventors: 金海鹏; 杨中奇; 盛文军
Original assignee: Micro Electronics (shanghai) Co Ltd
Current assignee: Tailing Microelectronics (Shanghai) Co.,Ltd.
Priority date: 2014-03-27
Filing date: 2014-03-27
Publication date: 2014-07-02
Anticipated expiration: 2034-03-27
Also published as: CN103902133B

Abstract

本发明涉及电磁触控领域，公开了一种电磁触控接收装置和方法。本发明中，将环状天线耦合接收电磁笔发出的电磁信号，得到模拟接收信号；经滤波后，转换成数字信号，对数字信号的频率和能量进行估计，使得电磁触控接收装置可以采用先进的数字信号处理方法，精确地计算与触控信号相关的能量和频率信息，提高电磁触控接收装置的抗干扰和接收性能。

Description

电磁触控接收装置和方法

技术领域

本发明涉及电磁触控领域，特别涉及电磁触控接收装置和方法。

背景技术

触控技术在很多产品中作为输入控制使用。随着智能手机，平板电脑的普及，触控技术的应用更加广泛，这些设备因为便携性，设备尺寸的限制等等通常不会有外置的键盘鼠标等输入设备，触控输入作为一种自然方便的输入方法具有强大的吸引力。触控输入技术也有多种分类，其中触控笔输入是一个重要的应用。利用触控笔，用户可以在设备上直接进行手写输入，还可以模拟鼠标操作等。触控笔输入设备通常是基于电磁辐射技术的，如图1所示，在智能手机，平板电脑，手写板等设备中，植入了专门用于接收电磁信号的天线阵列。在使用时，触控笔发出某种形式的电磁信号，在触控面板接收端，通过检测这些天线上的接收信号，可以判读触控笔的位置等信息，达到书写的效果。现有的大多方案在接收触控信号时，采用模拟电路的方式来检测接收信号的强度和频率，抗干扰和接收性能都比较差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电磁触控接收装置和方法，使得电磁触控接收装置可以采用先进的数字信号处理方法，提高电磁触控接收装置的抗干扰和接收性能。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种电磁触控接收装置，包含：环状天线、带通滤波器和数字信号处理模块；

所述环状天线耦合接收电磁笔发出的电磁信号，得到模拟接收信号；

所述带通滤波器滤除所述模拟接收信号中的带外噪声、带外干扰信号以及低频或者直流干扰，并估计所述模拟接收信号的强弱，动态调整增益；

所述数字信号处理模块在所述带通滤波器之后，通过模数转换，将所述经滤波的模拟接收信号转换为数字信号，对所述数字信号的频率和能量进行估计。

本发明的实施方式提供了一种电磁触控接收方法，包含以下步骤：

S1.耦合接收电磁笔发出的电磁信号，得到模拟接收信号；

S2.滤除所述模拟接收信号中的带外噪声、带外干扰信号以及低频或者直流干扰，并估计所述模拟接收信号的强弱，动态调整增益；

S3.将所述经滤波的模拟接收信号转换为数字信号，对所述数字信号的频率和能量进行估计。

本发明实施方式相对于现有技术而言，将环状天线耦合接收电磁笔发出的电磁信号，得到模拟接收信号；经滤波后，转换成数字信号，对数字信号的频率和能量进行估计，使得电磁触控接收装置可以采用先进的数字信号处理方法，精确地计算与触控信号相关的能量和频率信息，提高电磁触控接收装置的抗干扰和接收性能。

另外，所述数字信号处理模块包含：模数转换器、数字控制振荡器、数字混频器、数字多级降采样滤波器、能量检测子模块、频率估计子模块和数字解调子模块；

所述模数转换器将所述经滤波的模拟接收信号转换为数字信号，其中，所述接收到的模拟接收信号包含经数字调制的电磁笔有用信号；

所述数字控制振荡器设定数字下变频的频率，其中，所述数字控制振荡器的频率是可配置的；

所述数字混频器利用数字下变频技术将所述数字信号，转换成零中频的数字基带正交信号；

所述数字多级降采样滤波器将所述数字基带正交信号进行降采样滤波，得到低速率基带信号；

所述能量检测子模块对所述低速率基带信号进行能量估计；

所述频率估计子模块对所述低速率基带信号进行频率估计；

所述数字解调子模块对所述低速率基带信号进行解调。

电磁触控接收装置还可以接收电磁笔发出的数字调制信号，除了对数字信号的频率和能量进行估计之外，还通过数字信号处理技术，对信号进行解调。可以支持包含了数字调制信号的触控笔信号，在基本触控的基础上进一步增强，可以有效的传输更多的有用信息，使得触控笔的使用更加丰富多彩。

另外，所述数字多级降采样滤波器包含：第一级联积分梳状滤波器、第二级联积分梳状滤波器、半带滤波器、低通滤波器；

所述第一级联积分梳状滤波器按第一预设降采样比例对所述数字基带正交信号进行降采样；

所述第二级联积分梳状滤波器按第二预设降采样比例对所述第一级联积分梳状滤波器的输出信号进行降采样；

所述半带滤波器对所述第二级联积分梳状滤波器输出的信号进行2:1降采样；

所述低通滤波器滤除所述半带滤波器输出的信号的带外干扰信号。

采用多级降采样的架构，能保证系统的具有较低的设计成本也能保证信号通带的平坦度，提高后续的检测性能。

另外，所述能量检测子模块通过以下公式对所述低速率基带信号进行能量估计：

P = \frac{Σ_{n = 0}^{N - 1} (I {(n)}^{2} + Q {(n)}^{2})}{N}

其中，I(n)和Q(n)分别是所述低通滤波器输出的基带信号；所述N为一预设值。

通过上述平均的方法提高能量估计的准确度。

另外，所述频率估计子模块通过坐标旋转数字计算机CORDIC方法求出所述低通滤波器输出的基带信号对应的角度，通过以下公式将所述角度转换成为频率：

Freq = \frac{Σ_{n = 0}^{N - 1} fs \times \frac{angle (D (n))}{2 \times π \times k}}{N}

D(n)=X(n)×Conj(X(n-k))

其中，X(n)表示所述低通滤波器输出信号的复数表达式I(n)+jQ(n)，Conj是共轭运算子，k表示数据的延迟，fs为输入数据的速率，angle(D(n))表示所述低通滤波器输出信号对应的角度。

通过上述平均的方法提高频率估计的准确度。

另外，所述数字解调子模块根据不同的调制方式，选择以下解调方式中的任意一种：幅移键控ASK、频移键控FSK。可以根据实现复杂度、抗干扰能力的要求，灵活选择调制方式。

附图说明

图1是根据现有技术的电磁触控设备示意图；

图2是本发明第一实施方式的电磁触控接收装置的示意图；

图3是本发明第二实施方式的电磁触控接收装置的示意图；

图4是本发明第二实施方式的电磁触控接收装置中多级降采样示意图。

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，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。

本发明的第一实施方式涉及一种电磁触控接收装置。本发明针对现有模拟电路接收触控信号性能比较差的问题，提出了一种基于数字基带信号处理，适合利用大规模集成电路实现的接收架构，可以利用先进的数字信号处理方法，精确的计算和触控信号相关的能量和频率信息。

具体地说，如图2所示，本实施方式的电磁触控接收装置包含：环状天线、带通滤波器和数字信号处理模块；其中，环状天线耦合接收电磁笔发出的电磁信号，得到模拟接收信号；带通滤波器滤除模拟接收信号中的带外噪声、带外干扰信号以及低频或者直流干扰，并估计模拟接收信号的强弱，动态调整增益；数字信号处理模块在带通滤波器之后，通过模数转换，将经滤波的模拟接收信号转换为数字信号，对数字信号的频率和能量进行估计。

此外，值得一提的是，电磁触控接收装置还可以包含：频率计数器；该频率计数器在带通滤波器之后，直接对模拟接收信号进行频率估计。也就是说，环形天线用于耦合接收电磁笔发出的低频电磁波。通过带通滤波器滤除带外噪声，带外干扰信号以及低频或者直流干扰。同时估计输入信号的强弱，动态的调整增益，提高接收的接收灵敏度以及动态范围。在带通滤波器之后，可以利用频率计数器，直接对输入信号的频率进行估计。也可以通过模数转换器，将模拟信号转换为数字信号，利用数字信号处理技术，对信号的频率以及能量进行更准确的估计。

与现有技术相比，将环状天线耦合接收电磁笔发出的电磁信号，得到模拟接收信号；经滤波后，转换成数字信号，对数字信号的频率和能量进行估计，使得电磁触控接收装置可以采用先进的数字信号处理方法，精确地计算与触控信号相关的能量和频率信息，提高电磁触控接收装置的抗干扰和接收性能。

本发明的第二实施方式涉及一种电磁触控接收装置。第二实施方式在第一实施方式基础上做了进一步改进，主要改进之处在于：在本发明第二实施方式中，电磁触控接收装置还可以接收电磁笔发出的数字调制信号，除了对数字信号的频率和能量进行估计之外，还通过数字信号处理技术，对信号进行解调。也就是说，本实施方式也可以支持包含了数字调制信号的触控笔信号，在基本触控的基础上进一步增强，可以有效的传输更多的有用信息，使得触控笔的使用更加丰富多彩。

具体地说，如图3所示，数字信号处理模块包含：模数转换器、数字控制振荡器、数字混频器、数字多级降采样滤波器、能量检测子模块、频率估计子模块和数字解调子模块。

模数转换器将经滤波的模拟接收信号转换为数字信号，其中，接收到的模拟接收信号包含经数字调制的电磁笔有用信号。

数字控制振荡器设定数字下变频的频率，其中，数字控制振荡器的频率是可配置的。

数字混频器利用数字下变频技术将数字信号，转换成零中频的数字基带正交信号。

数字多级降采样滤波器将数字基带正交信号进行降采样滤波，得到低速率基带信号。

能量检测子模块对低速率基带信号进行能量估计，频率估计子模块对低速率基带信号进行频率估计，数字解调子模块对低速率基带信号进行解调。其中，数字解调子模块根据不同的调制方式，选择以下解调方式中的任意一种：幅移键控ASK、频移键控FSK。

此外，值得说明的是，在数字多级降采样滤波器的设计中，通过考虑设计成本和通带平坦度，优化滤波器的阶数。原则是保证在不高的设计成本下，实现低通带通滤波器的频域的平坦度。在本实施方式中，数字多级降采样滤波器可以包含：第一级联积分梳状滤波器、第二级联积分梳状滤波器、半带滤波器、低通滤波器；其中，第一级联积分梳状滤波器按第一预设降采样比例对数字基带正交信号进行降采样；第二级联积分梳状滤波器按第二预设降采样比例对第一级联积分梳状滤波器的输出信号进行降采样；半带滤波器对第二级联积分梳状滤波器输出的信号进行2:1降采样；低通滤波器滤除半带滤波器输出的信号的带外干扰信号。

比如说，如图4所示，通过可配置频率的数字控制振荡器，设定数字下变频的频率。利用数字下变频技术将接收到的低中频信号，转换成零中频的数字基带正交信号。数字下变频的输出为正交的两路IQ信号。利用两个串行的级联积分梳妆滤波器将16MHz（即数字混频器的输出信号的速率）的数据流分别降速率到2MHz（即第一级联积分梳状滤波器的输出信号的速率）和250KHz（即第二级联积分梳状滤波器的输出信号的速率），也就是说，每一个级联积分梳妆滤波器都是8:1的降采样。再利用半带滤波器进行一次2:1的降采样，此时输出信号的速率为125KHz。最后一级的低通滤波器是用来带外的干扰信号。采用多级将采样的架构，就能保证系统的具有较低的设计成本也能保证信号通带的平坦度，提高后续的检测性能。

此外，值得一提的是，能量检测子模块通过以下公式对低速率基带信号进行能量估计：

P = \frac{Σ_{n = 0}^{N - 1} (I {(n)}^{2} + Q {(n)}^{2})}{N}

其中，I(n)和Q(n)分别是低通滤波器输出的基带信号；N为一预设值，是参与能量估计的基带信号数。

频率估计子模块通过坐标旋转数字计算机CORDIC方法求出低通滤波器输出的基带信号对应的角度，通过以下公式将角度转换成为频率：

Freq = \frac{Σ_{n = 0}^{N - 1} fs \times \frac{angle (D (n))}{2 \times π \times k}}{N}

D(n)=X(n)×Conj(X(n-k))

其中，X(n)表示低通滤波器输出信号的复数表达式I(n)+jQ(n)，Conj是共轭运算子，k表示数据的延迟，fs为输入数据的速率，angle(D(n))表示低通滤波器输出信号对应的角度。

本发明第三实施方式涉及一种电磁触控接收方法，该方法先耦合接收电磁笔发出的电磁信号，得到模拟接收信号；接着，滤除模拟接收信号中的带外噪声、带外干扰信号以及低频或者直流干扰，并估计模拟接收信号的强弱，动态调整增益；将经滤波的模拟接收信号转换为数字信号，对数字信号的频率和能量进行估计。

此外，在模拟接收信号进行滤波之后，还可以直接对模拟接收信号进行频率估计。也就是说，直接采用模拟的方式对模拟信号进行粗略的频率估计，也可以将模拟信号转换为数字信号，利用数字信号处理技术，对信号的频率以及能量进行更准确的估计。

不难发现，本实施方式为与第一实施方式相对应的方法实施例，本实施方式可与第一实施方式互相配合实施。第一实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一实施方式中。

本发明第四实施方式涉及一种电磁触控接收方法。第四实施方式在第三实施方式基础上做了进一步改进，主要改进之处在于：在第四实施方式中，除了对数字信号的频率和能量进行估计之外，还通过数字信号处理技术，对信号进行解调。也就是说，本实施方式也可以支持包含了数字调制信号的触控笔信号，在基本触控的基础上进一步增强，可以有效的传输更多的有用信息，使得触控笔的使用更加丰富多彩。

具体地说，在进行数字信号处理过程中，包含以下子步骤：

将经滤波的模拟接收信号转换为数字信号，其中，接收到的模拟接收信号包含经数字调制的电磁笔有用信号；

利用数字下变频技术将数字信号，转换成零中频的数字基带正交信号；其中，数字下变频的频率事先设定；

将数字基带正交信号进行降采样滤波，得到低速率基带信号；

对低速率基带信号进行能量估计、频率估计和解调。

由于第二实施方式与本实施方式相互对应，因此本实施方式可与第二实施方式互相配合实施。第二实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，在第二实施方式中所能达到的技术效果在本实施方式中也同样可以实现，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第二实施方式中。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims

1.一种电磁触控接收装置，其特征在于，包含：环状天线、带通滤波器和数字信号处理模块；

2.根据权利要求1所述的电磁触控接收装置，其特征在于，所述数字信号处理模块包含：模数转换器、数字控制振荡器、数字混频器、数字多级降采样滤波器、能量检测子模块、频率估计子模块和数字解调子模块；

所述能量检测子模块对所述低速率基带信号进行能量估计；

所述频率估计子模块对所述低速率基带信号进行频率估计；

所述数字解调子模块对所述低速率基带信号进行解调。

3.根据权利要求2所述的电磁触控接收装置，其特征在于，所述数字多级降采样滤波器包含：第一级联积分梳状滤波器、第二级联积分梳状滤波器、半带滤波器、低通滤波器；

4.根据权利要求3所述的电磁触控接收装置，其特征在于，所述能量检测子模块通过以下公式对所述低速率基带信号进行能量估计：

P = \frac{Σ_{n = 0}^{N - 1} (I {(n)}^{2} + Q {(n)}^{2})}{N}

5.根据权利要求3所述的电磁触控接收装置，其特征在于，所述频率估计子模块通过坐标旋转数字计算机CORDIC方法求出所述低通滤波器输出的基带信号对应的角度，通过以下公式将所述角度转换成为频率：

Freq = \frac{Σ_{n = 0}^{N - 1} fs \times \frac{angle (D (n))}{2 \times π \times k}}{N}

D(n)=X(n)×Conj(X(n-k))

6.根据权利要求2所述的电磁触控接收装置，其特征在于，所述数字解调子模块根据不同的调制方式，选择以下解调方式中的任意一种：

幅移键控ASK、频移键控FSK。

7.根据权利要求1所述的电磁触控接收装置，其特征在于，还包含：频率计数器；

所述频率计数器在所述带通滤波器之后，直接对所述模拟接收信号进行频率估计。

8.一种电磁触控接收方法，其特征在于，包含以下步骤：

S1.耦合接收电磁笔发出的电磁信号，得到模拟接收信号；

9.根据权利要求8所述的电磁触控接收方法，其特征在于，在所述步骤S3中，包含以下子步骤：

将所述经滤波的模拟接收信号转换为数字信号，其中，所述接收到的模拟接收信号包含经数字调制的电磁笔有用信号；

利用数字下变频技术将所述数字信号，转换成零中频的数字基带正交信号；其中，数字下变频的频率事先设定；

将所述数字基带正交信号进行降采样滤波，得到低速率基带信号；

对所述低速率基带信号进行能量估计、频率估计和解调。

10.根据权利要求8所述的电磁触控接收方法，其特征在于，在所述步骤S2之后，还包含以下步骤：

直接对所述模拟接收信号进行频率估计。