CN104298962A - 指纹检测装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种指纹检测装置和方法，所述指纹检测装置包括采集模块和处理模块，所述采集模块用于采集指纹信息并生成指纹检测信号，所述处理模块用于处理所述指纹检测信号并生成指纹图像数据，所述处理模块包括一混频器，所述混频器用于对所述指纹检测信号进行正交混频和低通滤波处理，将所述指纹检测信号由交流信号转换为直流信号。从而可以减小指纹检测信号的带宽，滤除指纹检测信号中的噪声，提升信噪比，增强指纹检测的灵敏度，提高抗干扰能力，继而提升指纹检测装置对应用环境的适应能力。

Description

指纹检测装置和方法
技术领域
本发明涉及指纹检测技术领域，尤其是涉及一种指纹检测装置和方法。
背景技术
指纹检测装置通过采集模块采集指纹信息并生成指纹检测信号，再通过处理模块对指纹检测信号进行处理后生成指纹图像数据并予以输出，然后对输出的信号进行比对识别。电容式指纹检测装置已逐渐开始应用于手持设备中(如手机、平板电脑等)，由于手持设备的便携性，其应用环境也复杂多变，使得指纹检测装置也需要应对各种应用环境。
从测量信号上来讲，应用环境的变化带来的直接影响即为噪声，噪声信号会影响指纹检测信号的信噪比，降低指纹检测装置的抗干扰能力。发明人仔细研究发现，通常情况下，噪声信号的频谱分布比较广泛，而指纹检测信号的频谱相对较窄，如果能够减小指纹检测信号的带宽，就能相应的提升信噪比，提高指纹检测装置的抗干扰能力。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种指纹检测装置和方法，旨在减小指纹检测信号的带宽，提升信噪比，提高抗干扰能力。
为达以上目的，本发明提出一种指纹检测装置，包括采集模块和处理模块，所述采集模块用于采集指纹信息并生成指纹检测信号，所述处理模块用于处理所述指纹检测信号并生成指纹图像数据，所述处理模块包括一混频器，所述混频器用于对所述指纹检测信号进行正交混频和低通滤波处理，将所述指纹检测信号由交流信号转换为直流信号。
优选地，所述混频器为数字混频器，所述处理模块还包括模拟电路前端、模数转换器和数字信号处理单元，所述模拟电路前端、模数转换器、数字混频器和数字信号处理单元依次电连接。
优选地，所述混频器为模拟混频器，所述处理模块还包括模拟电路前端、模数转换器和数字信号处理单元，所述模拟电路前端、模拟混频器、模数转换器和数字信号处理单元依次电连接。
优选地，所述混频器包括一参考信号源和两并联的混频电路，每一所述混频电路包括串联的乘法器和低通滤波器，所述乘法器的输入的和低通滤波器的输出端分别作为所述混频器的输入端和输出端，所述参考信号源分别向两混频电路的乘法器输入参考信号，所述参考信号包括相互正交的正弦信号和余弦信号。
优选地，所述参考信号的频率与所述采集模块生成的指纹检测信号的频率相同并且可调，以避开特定频带的干扰信号。
本发明同时提出一种指纹检测方法，包括步骤:
采集指纹信息，生成指纹检测信号；
对所述指纹检测信号进行正交混频和低通滤波处理，以将所述指纹检测信号由交流信号转换为直流信号；
根据处理后的指纹检测信号生成指纹图像数据并予以输出。
优选地，所述正交混频处理为数字混频处理，所述对指纹检测信号进行正交混频和低通滤波处理的步骤之前还包括：
对所述指纹检测信号进行模数转换，以将所述指纹检测信号由模拟信号转换为数字信号。
优选地，所述正交混频处理为模拟混频处理，所述对指纹检测信号进行正交混频和低通滤波处理的步骤之后还包括：
对处理后的指纹检测信号进行模数转换，以将所述指纹检测信号由模拟信号转换为数字信号。
优选地，所述对指纹检测信号进行正交混频和低通滤波处理包括：
将所述指纹检测信号分成两路，分别向两路指纹检测信号输入参考信号，所述参考信号包括相互正交的正弦信号和余弦信号；
对每一路指纹检测信号和参考信号执行混频运算，获得具有交流信号分量和直流信号分量的指纹检测信号；
滤除指纹检测信号中的交流信号分量。
优选地，所述参考信号的频率与生成的所述指纹检测信号的频率相同并且可调，以避开特定频带的干扰信号。
本发明所提供的一种指纹检测装置，通过给处理模块增加一混频器，基于正交解调技术对指纹检测信号进行正交混频和低通滤波处理，将指纹检测信号由交流信号转换为直流信号，减小指纹检测信号的带宽，并且可以通过增加混频器中参考信号的时间长度进一步减小输出信号的带宽，滤除指纹检测信号中的噪声，提升信噪比，增强指纹检测的灵敏度，提高抗干扰能力，继而提升指纹检测装置对应用环境的适应能力。而且，还可以通过调整参考信号的参数ω0来改变信号的频带，从而有针对性的避开强度较大的干扰信号的频带，显著提升抗干扰能力。
附图说明
图1是本发明的指纹检测装置的结构框图；
图2是图1中的采集模块的结构框图；
图3是图1中的处理模块的结构框图；
图4是本发明的指纹检测装置一实施例的电路连接示意图；
图5是图4中的数字混频器的电路连接示意图；
图6是本发明的指纹检测装置另一实施例的电路连接示意图；
图7是图6中的模拟混频器的电路连接示意图；
图8是本发明的指纹检测方法第一实施例的流程图；
图9是本发明的指纹检测方法第二实施例的流程图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
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。
本发明的指纹检测装置如图1所示，包括采集模块和处理模块，采集模块用于采集指纹信息并生成指纹检测信号，处理模块用于处理指纹检测信号并生成指纹图像数据，其中处理模块包括一混频器，该混频器基于正交解调技术对指纹检测信号进行正交混频和低通滤波处理，将指纹检测信号由交流信号转换为直流信号。其中，
采集模块如图2所示，包括信号产生组件、环形发射电极和指纹感应单元，信号产生组件向环形发射电极发射脉冲信号，当手指接触环形发射电极和指纹感应单元时，指纹感应单元则采集手指的指纹信息并根据脉冲信号生成指纹检测信号，本发明的指纹检测装置采集指纹信息的方式与现有技术相同，在此不再赘述。
处理模块如图3所示，包括模拟电路前端、模数转换器、混频器和数字信号处理单元。各单元模块的具体电路连接关系将在下述实施例中进行描述。
图4所示为本发明的指纹检测装置一实施例，本实施例中的混频器为数字混频器。处理模块包括依次电连接的模拟电路前端、模数转换器、数字混频器和数字信号处理单元，其中，模拟电路前端用于接收指纹感应单元生成的指纹检测信号；模数转换器用于将指纹检测信号从模拟信号转换为数字信号；数字混频器用于将模数转换后的指纹检测信号进行正交混频和低通滤波处理，以将指纹检测信号从交流信号转换为直流信号；数字信号处理单元用于处理混频后的指纹检测信号，生成指纹图像数据并予以输出。
数字混频器如图5所示，包括一参考信号源和两并联的混频电路，每一混频电路包括串联的乘法器10和低通滤波器，乘法器10的输入端的和低通滤波器的输出端分别作为数字混频器的输入端和输出端，其中数字混频器的输入端与模数转换器连接，输出端与数字信号处理单元连接，参考信号源分别向两混频电路的乘法器10输入参考信号。该参考信号优选为相互正交的正弦信号和余弦信号，即参考信号源向一路混频电路输入正弦信号，向另一路混频电路输入余弦信号；乘法器10对指纹检测信号和参考信号执行混频运算，获得具有交流信号分量和直流信号分量的指纹检测信号；低通滤波器滤除指纹检测信号中频率较高的交流信号分量，使得指纹检测信号中只剩下直流信号，从而减小了指纹检测信号的带宽。
图6所示为本发明的指纹检测装置另一实施例，本实施例与上一实施例的区别为其混频器为模拟混频器。其处理模块包括依次电连接的模拟电路前端、模拟混频器、模数转换器和数字信号处理单元。模拟混频器如图7所示，其输入端连接模拟电路前端，输出端连接模数转换器。该模拟混频器直接将作为模拟信号的指纹检测信号进行正交混频和低通滤波处理，然后将混频处理后的指纹检测信号发送给模数转换器进行模数转换。
上述实施例中指纹检测信号的生成和处理过程如下所示：
指纹检测装置中，信号产生组件向环形发射电极发射一个脉冲信号
当手指触摸环形发射电极和指纹感应单元时，指纹感应单元根据采集到的指纹信息和上述脉冲信号，生成指纹检测信号
参考信号源输出2个相位相差π/2的参考信号，分别为正弦信号UR1和余弦信号UR2，其中UR1＝K1sin(ω0t)，UR2＝K2cos(ω0t)，正弦信号和余弦信号的频率与生成的指纹检测信号的频率相同；
指纹检测信号URx和参考信号经过乘法器10进行混频处理：
上述信号，包含有交流信号分量和直流信号分量,其中交流信号分量为:和直流信号分量为：和
再经过低通滤波器滤除其中的交流信号分量，只剩下直流信号分量：
最后，数字信号处理单元再对上述信号做如下处理：
一般的，K1＝K2＝1，则上式结果简化为：
U ANS = 1 2 A 0 A 1 ,
UANS即为数字信号处理单元的输出结果。
上述整个信号处理流程中，处理模块接收到的信号中与参考信号同频率的信号才可以被解析出来，而低通滤波器则决定了输出信号的带宽。因此与参考信号同频率的同样时间长度的有用信号的增益最大，而其它非相关性的和相关性较弱的信号的增益较小，指纹检测信号最终的带宽(即输出信号的带宽)与参考信号的时间长度成反比。大部分的噪声都与参考信号不相关，因此可以通过调整参考信号的时间T(或周期)来减小输出信号的带宽，提升抗干扰能力。
由于采集模块生成的指纹检测信号的频率和参考信号的频率均可由指纹检测装置控制，在某些特殊情况下，某个频带内的噪声可能会比较大，则可以通过调整生成的指纹检测信号和参考信号的参数ω0(即频率)来改变信号的频带，可有针对性的避开干扰信号的频带。其中，生成的指纹检测信号的频率的调整，通过调整脉冲信号的频率来实现。
上述处理流程中，各个子模块单元可以灵活实现，可以在一颗单芯片中实现，也可以利用多颗芯片实现。
从而，本发明的指纹检测装置，通过给处理模块增加一混频器，对指纹检测信号进行正交混频和低通滤波处理，将指纹检测信号由交流信号转换为直流信号，减小指纹检测信号的带宽，并且可以通过增加混频器中参考信号的时间长度进一步减小输出信号的带宽，滤除指纹检测信号中的噪声，提升信噪比，增强指纹检测的灵敏度，提高抗干扰能力，继而提升指纹检测装置对应用环境的适应能力。而且，还可以通过调整脉冲信号和参考信号的参数ω0来改变信号的频带，从而有针对性的避开强度较大的干扰信号的频带，显著提升抗干扰能力。
参见图8，提出本发明的指纹检测方法一实施例，所述指纹检测方法包括以下步骤：
步骤S101：采集指纹信息并生成指纹检测信号。
具体的，通过采集模块来采集指纹信息并生成指纹检测信号，假设指纹检测信号为
步骤S102：对指纹检测信号进行模数转换。
具体的，通过模数转换器将指纹检测信号由模拟信号转换为数字信号。
步骤S103：对模数转换后的指纹检测信号进行正交混频和低通滤波处理。
本实施例通过数字混频器对模数转换后的指纹检测信号(为数字信号)进行混频处理。具体的，数字混频器将指纹检测信号分成两路，并通过参考信号源分别向两路指纹检测信号输入正交的参考信号，如向一路指纹检测信号输入正弦信号UR1＝K1sin(ωOt)，向另一路指纹检测信号输入余弦信号UR2＝K2cos(ω0t)；数字混频器通过乘法器对每一路指纹检测信号和参考信号执行混频运算，获得具有交流信号分量和直流信号分量的指纹检测信号，获得两路指纹检测信号分别为：
数字混频器最后通过低通滤波器滤除指纹检测信号中频率较高的交流信号分量，使得指纹检测信号中只剩下直流信号分量，即分别为：
和从而，将指纹检测信号由交流信号转换为直流信号，减小了指纹检测信号的带宽，滤除了噪声信号。
步骤S104：根据处理后的指纹检测信号生成指纹图像数据并予以输出。
具体的，通过数字信号处理单元再对混频处理后的指纹检测信号进行处理，生成指纹图像数据并予以输出。
参见图9，提出本发明的指纹检测方法第二实施例，所述指纹检测方法包括以下步骤：
步骤S201：采集指纹信息并生成指纹检测信号。
具体的，通过采集模块来采集指纹信息并生成指纹检测信号，假设指纹检测信号为
步骤S202：对指纹检测信号进行正交混频和低通滤波处理。
本实施例通过模拟混频器对模数转换后的指纹检测信号(为模拟信号)进行混频处理。具体的，模拟混频器将指纹检测信号分成两路，并通过参考信号源分别向两路指纹检测信号输入正交的参考信号，如向一路指纹检测信号输入正弦信号UR1＝K1sin(ω0t)，向另一路指纹检测信号输入余弦信号UR2＝K2cos(ω0t)；模拟混频器通过乘法器对每一路指纹检测信号和参考信号执行混频运算，获得具有交流信号分量和直流信号分量的指纹检测信号，获得两路指纹检测信号分别为：
模拟混频器最后通过低通滤波器滤除指纹检测信号中频率较高的交流信号分量，使得指纹检测信号中只剩下直流信号分量，即分别为：
和从而，将指纹检测信号由交流信号转换为直流信号，减小了指纹检测信号的带宽，滤除了其中的噪声信号。
步骤S203：对处理后的指纹检测信号进行模数转换。
混频处理后的指纹检测信号为模拟信号，可通过模数转换器将该指纹检测信号由模拟信号转换为数字信号。
步骤S204：根据处理后的指纹检测信号生成指纹图像数据并予以输出。
需要说明的是，上述装置实施例中的技术特征在本方法实施例中均对应适用，二者属于同一发明构思。
从而，本发明的指纹检测方法，通过对指纹检测信号进行正交混频和低通滤波处理，将指纹检测信号由交流信号转换为直流信号，从而可以通过增加混频器中参考信号的时间长度来减小输出信号的带宽，滤除指纹检测信号中的噪声，提升信噪比，增强指纹检测的灵敏度，提高抗干扰能力，继而提升指纹检测装置对应用环境的适应能力。而且，还可以通过调整参考信号的参数ω0来改变信号的频带，从而可以针对性的避开强度较大的干扰信号的频带，显著提升抗干扰能力。
本领域普通技术人员可以理解,实现上述实施例方法中的全部或部分步骤可以通过程序来控制相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，所述的存储介质可以是ROM/RAM、磁盘、光盘等。
应当理解的是，以上仅为本发明的优选实施例，不能因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种指纹检测装置，包括采集模块和处理模块，所述采集模块用于采集指纹信息并生成指纹检测信号，所述处理模块用于处理所述指纹检测信号并生成指纹图像数据，其特征在于，所述处理模块包括一混频器，所述混频器用于对所述指纹检测信号进行正交混频和低通滤波处理，将所述指纹检测信号由交流信号转换为直流信号。
2.根据权利要求1所述的指纹检测装置，其特征在于，所述混频器为数字混频器，所述处理模块还包括模拟电路前端、模数转换器和数字信号处理单元，所述模拟电路前端、模数转换器、数字混频器和数字信号处理单元依次电连接。
3.根据权利要求1所述的指纹检测装置，其特征在于，所述混频器为模拟混频器，所述处理模块还包括模拟电路前端、模数转换器和数字信号处理单元，所述模拟电路前端、模拟混频器、模数转换器和数字信号处理单元依次电连接。
4.根据权利要求1-3任一项所述的指纹检测装置，其特征在于，所述混频器包括一参考信号源和两并联的混频电路，每一所述混频电路包括串联的乘法器和低通滤波器，所述乘法器的输入端和低通滤波器的输出端分别作为所述混频器的输入端和输出端，所述参考信号源分别向两混频电路的乘法器输入参考信号，所述参考信号包括相互正交的正弦信号和余弦信号。
5.根据权利要求4所述的指纹检测装置，其特征在于，所述参考信号的频率与所述采集模块生成的指纹检测信号的频率相同并且可调，以避开特定频带的干扰信号。
6.一种指纹检测方法，其特征在于，包括步骤:
采集指纹信息，生成指纹检测信号；
对所述指纹检测信号进行正交混频和低通滤波处理，以将所述指纹检测信号由交流信号转换为直流信号；
根据处理后的指纹检测信号生成指纹图像数据并予以输出。
7.根据权利要求6所述的指纹检测方法，其特征在于，所述正交混频处理为数字混频处理，所述对指纹检测信号进行正交混频和低通滤波处理的步骤之前还包括：
对所述指纹检测信号进行模数转换，以将所述指纹检测信号由模拟信号转换为数字信号。
8.根据权利要求6所述的指纹检测方法，其特征在于，所述正交混频处理为模拟混频处理，所述对指纹检测信号进行正交混频和低通滤波处理的步骤之后还包括：
对处理后的指纹检测信号进行模数转换，以将所述指纹检测信号由模拟信号转换为数字信号。
9.根据权利要求6-8任一项所述的指纹检测方法，其特征在于，所述对指纹检测信号进行正交混频和低通滤波处理包括：
将所述指纹检测信号分成两路，分别向两路指纹检测信号输入参考信号，所述参考信号包括相互正交的正弦信号和余弦信号；
对每一路指纹检测信号和参考信号执行混频运算，获得具有交流信号分量和直流信号分量的指纹检测信号；
滤除指纹检测信号中的交流信号分量。
10.根据权利要求9所述的指纹检测方法，其特征在于，所述参考信号的频率与生成的所述指纹检测信号的频率相同并且可调，以避开特定频带的干扰信号。
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