CN104182745A - 指纹感应信号的处理方法、系统及指纹识别终端 - Google Patents

指纹感应信号的处理方法、系统及指纹识别终端 Download PDF

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Abstract

本发明适用于指纹识别技术领域，提供了一种指纹感应信号的处理方法、系统及指纹识别终端。所述处理方法包括下述步骤：混频处理步骤：将采集到的高频指纹感应信号与第一高频信号进行混频处理，得到一低频信号；放大处理步骤：对所述低频信号进行放大处理。本发明利用电容阻抗和信号频率成反比的特性，通过频谱搬移的方式将高频指纹感应信号搬移到低频后再进行放大，从而解决高频指纹感应信号放大困难的问题，提升其信噪比SNR。

Description

指纹感应信号的处理方法、系统及指纹识别终端
技术领域
本发明属于指纹识别技术领域，尤其涉及一种指纹感应信号的处理方法、系统及指纹识别终端。
背景技术
指纹，由于其具有终身不变性、唯一性和方便性，已经几乎成为生物特征识别的代名词。而指纹识别技术也广泛应用于各种终端设备，如移动终端、银行系统、考勤系统等，常用来提供对敏感电子设备和/或数据的安全访问。
电容式指纹检测电路是一种读取指纹信息的前端模拟电路，图1示出了现有设计中的一种电路结构，其原理是将驱动信号(如频率为400KHz的驱动信号)传导到触碰平面上，当有手指触碰时，触碰操作会透过平面上的电容将指纹感应信号传入系统内。
公布号为CN 103376970A的中国发明专利申请揭露了另一种电容式指纹传感器，该电容式指纹传感器可由感测元件的阵列形成。该阵列的每个电容式感测元件记录随着电容耦合的电容而变化的电压，且电容式感测元件位于手指与感测芯片之间，手指可电容地耦接至传感器的各个电容式感测元件，从而使得传感器可感测每个电容式感测元件与指纹的肌肉之间的电容。感测芯片通过感测电容式感测元件上的电压变化来检测电容信号，另外，感测芯片也可通过感测电容式感测元件接收到的电荷变化来检测电容信号。
上面描述的两种指纹识别技术以及其他现有设计均存在的问题是：因为放大器反馈回路上的电容C太小，造成指纹感应信号放大困难，SNR(Signal NoiseRatio，信噪比)较低。
发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题在于提供一种指纹感应信号的处理方法，旨在提高指纹感应信号的信噪比SNR。
本发明是这样实现的，一种指纹感应信号的处理方法，所述处理方法包括下述步骤：
混频处理步骤：将采集到的高频指纹感应信号与第一高频信号进行混频处理，得到一低频信号；
放大处理步骤：对所述低频信号进行放大处理。
进一步地，在所述混频处理步骤之前，所述处理方法还包括下述步骤：
信号转换步骤：将采集到的电压形式的高频指纹感应信号转换为电流形式的高频指纹感应信号；
然后以所述电流形式的高频指纹感应信号为基础执行所述混频处理步骤。
本发明所要解决的第二个技术在于提供一种指纹感应信号的处理系统，所述处理系统包括：
混频器，用于将采集到的高频指纹感应信号与第一高频信号进行混频处理，得到一低频信号；
电容反馈型放大器，用于对所述低频信号进行放大处理，其反相输入端连接所述混频器的输出端，其反相输入端与其输出端之间连接有反馈电容，其同相输入端接偏置电压。
本发明所要解决的第三个技术在于提供一种指纹识别终端，包括多个阵列式分布的指纹感应像素，每个指纹感应像素均连接有一个指纹感应信号的处理系统；所述处理系统包括：
混频器，用于将采集到的高频指纹感应信号与第一高频信号进行混频处理，得到一低频信号；
电容反馈型放大器，用于对所述低频信号进行放大处理，其反相输入端连接所述混频器的输出端，其反相输入端与其输出端之间连接有反馈电容，其同相输入端接偏置电压。
进一步地，所述处理系统还包括：电压-电流转换器，用于将采集到的电压形式的高频指纹感应信号转换为电流形式的高频指纹感应信号，并将所述电流形式的高频指纹感应信号输出至所述混频器，使所述混频器以所述电流形式的高频指纹感应信号为基础进行混频处理。
进一步地，所述电压-电流转换器包括：
第一开关管，其第一端接电源，其控制端接偏置电压；
第二开关管，其第一端接所述第一开关管的第二端，其第二端作为输出端接所述混频器的一个输入端，其控制端用于输入电压形式的高频指纹感应信号；
第三开关管，其第一端接所述第一开关管的第二端，其第二端接地，其控制端用于输入参考电压。
进一步地，所述电容反馈型放大器包括：
第四开关管，其第一端接电源，其控制端接偏置电压；
第五开关管，其第一端接所述第四开关管的第二端，其控制端作为所述电容反馈型放大器的同相输入端接偏置电压；
第六开关管，其第一端与控制端均连接至所述第五开关管的第二端，其第二端接地；
第七开关管，其第一端接所述第四开关管的第二端，其控制端作为所述电容反馈型放大器的反相输入端与所述混频器的输出端连接，其第二端作为所述电容反馈型放大器的输出端通过一电容与其控制端连接；
第八开关管，其第一端接所述第七开关管的第二端，其控制端接偏置电压，其第二端接地。
本发明利用电容阻抗和信号频率成反比的特性，通过频谱搬移的方式，将高频指纹感应信号与第一高频信号混频，将其搬移到低频后再进行放大，从而解决高频指纹感应信号放大困难的问题，提升其信噪比SNR。
附图说明
图1是现有技术提供的电容式指纹检测电路的电路结构图；
图2是本发明实施例提供的指纹感应信号的处理方法的实现流程图；
图3是本发明实施例提供的以400KHz和390KHz混频处理后的频谱搬移示意图；
图4是本发明实施例提供的指纹识别终端逻辑结构图；
图5是图4中电压-电流转换器的一种具体电路图；
图6是图4中电容反馈型放大器的一种具体电路图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
因为电容阻抗和信号频率成反比:Z＝1/(j*2*3.14*f*C)，其中，Z表示阻抗，f表示信号频率，C表示反馈电容的容值，j表示虚数单位。即，低频时的电容阻抗比高频时的电容阻抗高，如上述公式，频率f从400KHz减为10KHz，容值C不变，阻抗Z增为原来的40倍，也就是在使用相同的电路元件值的情况下，本发明实施例较以往的电路高出数十倍以上的增益，进而提高了信噪比SNR。
基于上述原理，本发明实施例指纹感应信号的处理方法的流程如图2所示，其步骤详述如下。
步骤S101为混频处理步骤：将采集到的高频指纹感应信号与第一高频信号进行混频处理，得到一低频信号。
高频驱动信号(譬如信号频率为400KHz)传导至触碰平面，在经由手指触碰传导至电容后，得到一高频指纹感应信号，将此高频指纹感应信号和第一高频信号(譬如信号频率为390KHz)进行混频处理，产生一个低频信号(信号频率为10KHz)，频谱搬移如图3所示，可以看出能够产生40倍增益。
步骤S102为放大处理步骤：对低频信号进行放大处理。
进一步地，为方便对高频指纹感应信号做后续积分处理，在进行放大之前，需将高频指纹感应信号从电压形式转换成电流形式，转换后再将得到的电流形式的高频指纹感应信号进行混频。
图4示出了本发明实施例提供的指纹识别终端的逻辑结构，为了便于描述，仅示出了与本发明实施例相关的部分。
参照图4，该指纹识别终端包括多个阵列式分布的指纹感应像素，每个指纹感应像素均连接有一个指纹感应信号的处理系统，其中A表示输出缓冲放大器。该处理系统包括混频器1和电容反馈型放大器2，其中，混频器1用于将采集到的高频指纹感应信号与第一高频信号(由第一高频信号发生器产生)进行混频处理，得到一低频信号；然后由电容反馈型放大器2对所述低频信号进行放大处理，其中，电容反馈型放大器2的反相输入端连接混频器1的输出端，并且反相输入端与其输出端之间还连接有反馈电容C，而其同相输入端接偏置电压BIAS。
同样出于方便后续积分的考虑，该处理系统还包括电压-电流转换器3，电压-电流转换器3用于将采集到的电压形式的高频指纹感应信号转换为电流形式的高频指纹感应信号，并将电流形式的高频指纹感应信号输出至混频器1，使混频器1以电流形式的高频指纹感应信号为基础进行混频处理。
图5示出了电压-电流转换器3的一种具体结构，其包括第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3，其中，Q1的第一端接电源VDD，控制端接偏置电压BIAS；Q2的第一端接Q1的第二端，Q2的第二端作为输出端接混频器1的一个输入端，Q2的控制端用于输入电压形式的高频指纹感应信号；Q3的第一端接Q1的第二端，Q3的第二端接地GND，Q3的控制端用于输入参考电压。上述第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3均可以采用PMOS管实现。
图5所示电路是一个差分对，其工作原理如下：Q1的第一端接电源VDD，BIAS的电压与VDD满足一定条件时(如BIAS小于VDD)使Q1导通，为Q2和Q3提供恒定电流，高频电压信号(即高频指纹感应信号)使Q2导通，参考电压使Q3导通。若参考电压保持不变，高频电压信号增大(即高频电压信号大于参考电压)，根据PMOS管的特点，Q2第二端的电流减小；高频电压信号减小(即高频电压小于参考电压)，Q2第二端的电流增大，Q2第二端的电流随着高频电压信号的变化而反相变化。
另外，图6示出了电容反馈型放大器2的一种具体结构，其包括第四开关管Q4、第五开关管Q5、第六开关管Q6、第七开关管Q7、第八开关管Q8，其中，Q4的第一端接电源VDD，其控制端接偏置电压BIAS；Q5的第一端接所述第四开关管的第二端，Q5的控制端INP作为电容反馈型放大器2的同相输入端，接偏置电压BIAS；Q6的第一端与控制端均连接至Q5的第二端，Q6的第二端接地GND；Q7的第一端接所述第四开关管的第二端，Q7的控制端INN作为电容反馈型放大器2的反相输入端与混频器1的输出端连接，Q7的第二端作为电容反馈型放大器2的输出端OUTPUT通过一电容与Q7的控制端INN连接；Q8的第一端接所述第七开关管的第二端，Q8的控制端接偏置电压BIAS，Q8的第二端接地GND。上述第四开关管Q4、第五开关管Q5、第七开关管Q7可采用PMOS管实现，而第六开关管Q6、第八开关管Q8则可采用NMOS管实现。
图6所示电路是一个运算放大器，其工作原理如下：Q4的作用与图5中的Q1相同，若INP保持不变，INN增大(即INN大于INP)，根据PMOS管的特点，Q7的电流减小，则Q7的漏极电压(即OUTPUT)会大幅降低。因为INN和OUTPUT之间信号反相并且增益很大，所以在INN端形成虚接地(virtualground)，INN和OUTPUT之间接反馈电容，流入INN的电流会完全积分至电容内，从而达到低频信号放大积分的效果。
综上所述，本发明利用电容阻抗和信号频率成反比的特性，通过频谱搬移的方式，将高频指纹感应信号与第一高频信号混频，将其搬移到低频后再进行放大，在使用相同的电路元件值的情况下，可以得到较以往的电路高出数十倍以上的增益，提高了指纹感应信号的信噪比SNR。另一方面，在指纹感应信号进入放大器之前，将指纹感应信号从电压形式转换为电流形式，方便做积分。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种指纹感应信号的处理方法，其特征在于，所述处理方法包括下述步骤：
混频处理步骤：将采集到的高频指纹感应信号与第一高频信号进行混频处理，得到一低频信号；
放大处理步骤：对所述低频信号进行放大处理。
2.如权利要求1所述的处理方法，其特征在于，在所述混频处理步骤之前，所述处理方法还包括下述步骤：
信号转换步骤：将采集到的电压形式的高频指纹感应信号转换为电流形式的高频指纹感应信号；
然后以所述电流形式的高频指纹感应信号为基础执行所述混频处理步骤。
3.一种指纹感应信号的处理系统，其特征在于，所述处理系统包括：
混频器，用于将采集到的高频指纹感应信号与第一高频信号进行混频处理，得到一低频信号；
电容反馈型放大器，用于对所述低频信号进行放大处理，其反相输入端连接所述混频器的输出端，其反相输入端与其输出端之间连接有反馈电容，其同相输入端接偏置电压。
4.如权利要求3所述的处理系统，其特征在于，所述处理系统还包括：
电压-电流转换器，用于将采集到的电压形式的高频指纹感应信号转换为电流形式的高频指纹感应信号，并将所述电流形式的高频指纹感应信号输出至所述混频器，使所述混频器以所述电流形式的高频指纹感应信号为基础进行混频处理。
5.如权利要求4所述的处理系统，其特征在于，所述电压-电流转换器包括：
第一开关管，其第一端接电源，其控制端接偏置电压；
第二开关管，其第一端接所述第一开关管的第二端，其第二端作为输出端接所述混频器的一个输入端，其控制端用于输入电压形式的高频指纹感应信号；
第三开关管，其第一端接所述第一开关管的第二端，其第二端接地，其控制端用于输入参考电压。
6.如权利要求3至5任一项所述的处理系统，其特征在于，所述电容反馈型放大器包括：
第四开关管，其第一端接电源，其控制端接偏置电压；
第五开关管，其第一端接所述第四开关管的第二端，其控制端作为所述电容反馈型放大器的同相输入端接偏置电压；
第六开关管，其第一端与控制端均连接至所述第五开关管的第二端，其第二端接地；
第七开关管，其第一端接所述第四开关管的第二端，其控制端作为所述电容反馈型放大器的反相输入端与所述混频器的输出端连接，其第二端作为所述电容反馈型放大器的输出端通过一电容与其控制端连接；
第八开关管，其第一端接所述第七开关管的第二端，其控制端接偏置电压，其第二端接地。
7.一种指纹识别终端，包括多个阵列式分布的指纹感应像素，其特征在于，每个指纹感应像素均连接有一个指纹感应信号的处理系统；所述处理系统包括：
混频器，用于将采集到的高频指纹感应信号与第一高频信号进行混频处理，得到一低频信号；
电容反馈型放大器，用于对所述低频信号进行放大处理，其反相输入端连接所述混频器的输出端，其反相输入端与其输出端之间连接有反馈电容，其同相输入端接偏置电压。
8.如权利要求7所述的指纹识别终端，其特征在于，所述处理系统还包括：
电压-电流转换器，用于将采集到的电压形式的高频指纹感应信号转换为电流形式的高频指纹感应信号，并将所述电流形式的高频指纹感应信号输出至所述混频器，使所述混频器以所述电流形式的高频指纹感应信号为基础进行混频处理。
9.如权利要求8所述的指纹识别终端，其特征在于，所述电压-电流转换器包括：
第一开关管，其第一端接电源，其控制端接偏置电压；
第二开关管，其第一端接所述第一开关管的第二端，其第二端作为输出端接所述混频器的一个输入端，其控制端用于输入电压形式的高频指纹感应信号；
第三开关管，其第一端接所述第一开关管的第二端，其第二端接地，其控制端用于输入参考电压。
10.如权利要求7至9任一项所述的指纹识别终端，其特征在于，所述电容反馈型放大器包括：
第四开关管，其第一端接电源，其控制端接偏置电压；
第五开关管，其第一端接所述第四开关管的第二端，其控制端作为所述电容反馈型放大器的同相输入端接偏置电压；
第六开关管，其第一端与控制端均连接至所述第五开关管的第二端，其第二端接地；
第七开关管，其第一端接所述第四开关管的第二端，其控制端作为所述电容反馈型放大器的反相输入端与所述混频器的输出端连接，其第二端作为所述电容反馈型放大器的输出端通过一电容与其控制端连接；
第八开关管，其第一端接所述第七开关管的第二端，其控制端接偏置电压，其第二端接地。
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