CN105830345B - 用于在指纹和触摸应用中的多相扫描的方法和传感器 - Google Patents

Abstract

在本文描述了用于在电容指纹应用中的全差分多相扫描的技术。在示例实施方式中，系统包括电容指纹传感器阵列以及耦合到电容指纹传感器阵列的处理设备。处理设备配置成至少：在全差分多相模式中扫描电容指纹传感器阵列；接收表示在电容指纹传感器阵列上的手指的一部分的多个测量结果；以及基于多个测量结果产生手指的该部分的指纹图像。

Description

用于在指纹和触摸应用中的多相扫描的方法和传感器

优先权

本申请是2015年3月27日提交的美国申请14/671,129的国际申请，其要求2014年11月25日提交的美国临时申请62/084,036和2014年11月25日提交的美国临时申请62/084,030的优先权和利益，所有申请通过引用被全部并入本文。

技术领域

本公开通常涉及电容指纹设备的领域，且特别是涉及处理从电容指纹传感器阵列获取的数据。

背景

一些计算设备例如笔记本计算机、个人数据助理、移动通信设备(例如智能电话、蜂窝电话、平板计算机等)和其它设备可包括配置成使用指纹传感器来从用户获取指纹图像且一般基于所获取的指纹图像执行某个操作或行动的用户界面设备。一种类型的这样的用户界面设备是通过电容感测来操作指纹传感器的触摸输入设备。例如，触摸输入设备可包括电容指纹传感器，其包括电容传感器元件的阵列。电容感测一般涉及周期性地测量与电容传感器元件相关的电容变化以确定传导对象(例如用户的手指、手写笔等)相对于电容传感器的感测表面的存在、位置和/或其它特征的扫描操作。

电容指纹传感器的结构和操作在至少一个方面中不同于其它公共电容传感器(例如触摸屏传感器)。例如，电容指纹传感器的活性区域比一般电容触摸屏传感器的活性区域小一到两个数量级(例如一般是大约100倍)，且在电容指纹传感器中的传感器元件的数量比在电容触摸传感器中的传感器元件的数量大约小一个数量级。此外，由电容指纹传感器获取的指纹信号的强度比由一般电容触摸屏传感器获取的信号小两到三个数量级，从而需要极其灵敏和低噪声电路以便捕获有用的指纹图像。因此，从电容指纹传感器获取并处理指纹图像数据提出一些独特的挑战，这些挑战不一定(如果根本)由为一般电容传感器(例如触摸屏传感器)发展的技术解决。

附图的简要说明

图1示出根据本文所述的一些技术的示例传感器系统的实施方式。

图2A和2B示出一起形成示出根据本文所述的一些技术的示例传感器系统的实施方式的单个完整视图的局部图。

图3示出根据示例实施方式的电容指纹传感器阵列的TX和RX电极到TX驱动器和RX接收通道的连接。

图4示出根据一些实施方式的通过使用零和RX激发序列进行的共模噪声抑制的例子。

图5示出根据一些实施方式的使用线性方程的简化集合来恢复基于零和多相RX扫描而感测的指纹图像的示例方法。

图6A示出根据一些实施方式的用于多相RX扫描的激发(卷积)的示例方法。

图6B示出根据一些实施方式的用于多相RX扫描的去卷积的示例方法。

图7A示出根据一些实施方式的用于多相TX扫描的激发(卷积)的示例方法。

图7B示出根据一些实施方式的用于多相TX扫描的去卷积的示例方法。

图8A示出根据一些实施方式的用于多相RX-TX扫描的激发(卷积)的示例方法。

图8B示出根据一些实施方式的用于多相RX-TX扫描的去卷积的示例方法。

图9A示出根据一些实施方式的没有硬件基线补偿的动态信号范围。

图9B示出与图9A的实施方式比较的根据示例实施方式的有硬件基线补偿的动态信号范围。

图10示出根据示例实施方式的在使用硬件基线补偿电路的多相扫描中使用的各种信号的操作波形。

图11示出根据本文所述的一些技术的示例传感器系统。

图12示出根据一些实施方式的零和MPRX激发序列的常规扫描配置的例子。

图13示出根据示例实施方式的具有参考电极的示例传感器阵列设计。

图14示出根据示例实施方式的具有参考电极的电容指纹传感器阵列的电场线。

图15示出根据示例实施方式的适合于与非零和TX和RX激发序列一起使用的电容指纹传感器阵列的示例设计。

图16示出根据示例实施方式的具有极性切换的多相RX扫描的激发(卷积)的示例方法。

图17示出根据示例实施方式的后处理基线补偿的示例方法。

图18示出根据示例实施方式的后处理基线补偿对所产生的指纹图像的质量的影响。

图19示出根据示例实施方式的不匹配的增益对所产生的指纹图像的影响。

图20示出根据示例实施方式的具有长度127的伪随机M序列的自相关(ACF)函数的曲线。

图21示出通过使用基于具有长度127的伪随机M序列的多相RX扫描进行的示例图像重建。

详细描述

下面的描述阐述很多特定的细节，例如特定的系统、部件、方法等的例子，以便提供在本文对在电容指纹和触摸应用中的多相模式扫描所述的技术的各种实施方式的良好理解。然而对本领域中的技术人员将明显，至少一些实施方式可在没有这些特定细节的情况下被实施。在其它实例中，公知的部件、元件或方法没有被详细地描述或以简单的方框图格式被显现以便避免不必要地使本文所述的技术模糊。因此，在下文中阐述的特定细节仅仅是示例性的。特定的实现可从这些示例性细节改变且仍然被设想为在本发明的精神和范围内。

在本描述中对“实施方式”、“一个实施方式”、“示例实施方式”、“一些实施方式”和“各种实施方式”的提及并不意指关于实施方式所述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施方式中。此外，短语“实施方式”、“一个实施方式”、“示例实施方式”、“一些实施方式”和“各种实施方式”在该描述中的各种地方的出现并不一定都指同一实施方式。

本描述包括对形成详细描述的一部分的附图的提及。附图示出根据示例性实施方式的图示。也可在本文被称为“例子”的这些实施方式足够详细地被描述以使本领域中的技术人员能够实施在本文所述的所主张的主题的实施方式。可组合实施方式，可利用其它实施方式，或可做出结构、逻辑和电气变化而不偏离所主张的主题的范围和精神。应理解，在本文所述的实施方式并不意欲限制主题的范围，而是更确切地使本领域中的技术人员能够实施、完成和/或使用主题。

概述

在本文所述的是在使用电容传感器阵列的电容指纹和触摸应用中的多相扫描的技术的各种实施方式。在一些实施方式中，电容传感器阵列(网格)包括彼此交错或交叉(例如在阵列的相同或多个层中)但同时维持彼此的电绝缘的发射(TX)和接收(RX)电极。如在本文使用的，“传感器元件”指电极的分立单元或位置区域(邻接)，可从其得到的测量结果或信号与从在电容传感器阵列中的其它单元或位置区域得到的测量结果/信号分离和分开。

电容触摸(例如触摸屏)传感器阵列指配置有适合于检测、确定在触摸屏表面(例如触摸屏或触控板)上的传导对象(例如手写笔、用户的手指等)的位置和/或跟踪来自传导对象的接触的传感器元件的电容传感器阵列。电容指纹传感器阵列指配置有可产生适合于产生用户的手指的至少一部分的指纹图像的信号的传感器元件的电容传感器阵列。如在本文使用的，“指纹图像”指以数字格式表示指纹的一组数据值。在一些实施方式中，指纹图像可以是使用其弓、箕和斗视觉地表示指纹的谷和脊的数据集。在其它实施方式中，指纹图像可以是数字地以非视觉形式(例如具有数据值的数据结构)表示指纹的数据集，在进一步处理之后指纹的视觉表示可从该数据集得到或该数据集可由各种指纹处理操作使用。

可在扫描操作中从电容传感器阵列得到测量结果和测量信号。当在扫描操作的给定驱动和/或感测周期(例如时隙)期间电容传感器阵列的多个电极同时被驱动和/或感测(例如基于在相位和/或极性上彼此不同的信号)时，扫描操作在“多相”模式中被执行。多相TX(MPTX)感测是所述多相扫描模式的一个例子。在MPTX感测中，多个TX电极同时被供能(驱动)，且具有复用器的平衡的TX驱动器可用于同时驱动几个TX电极。例如在MPTX扫描模式中，电容传感器的多个TX电极可由具有实质上相同的幅度(例如电压、电流等)但具有相反的极性(例如一对反相和非反相信号)的相应的多个信号驱动。多相RX(MPRX)感测是多相扫描模式的另一例子。在MPRX感测中，多个RX电极同时耦合(例如连接)到接收器，且一个或多个差分RX接收器和复用器可用于同时感测几个RX电极。例如在MPRX扫描模式中，具有来自一个或多个RX电极的不同相(例如极性)的输出信号可被卷积到从电容传感器阵列获取的单个信号内。如果在多相扫描模式中的多个信号的幅度(和可能相位)实质上总计为零，在电容传感器阵列上的扫描操作在“全差分”(也被称为“零和”)模式中被执行。例如，扫描操作在全差分模式中被执行，如果由给定(例如正)信号驱动的电极的数量等于由反相(例如负)信号驱动的电极的数量，则驱动信号的幅度的净和实质上为零(例如由多相驱动信号施加的正和负电荷彼此抵消)。

在示例实施方式中，用于产生指纹图像的方法包括：通过处理设备接收表示在电容指纹传感器阵列上的手指的测量结果，其中测量结果从在全差分多相模式中扫描的阵列的传感器元件得到；以及通过处理设备基于测量结果产生手指的指纹图像。在这个实施方式的示例方面中，产生指纹图像包括产生激发矩阵和输出信号矩阵，其中激发矩阵表示被应用来复用传感器元件的多个(TX/RX)电极的控制信号的极性，而输出信号矩阵表示所得到的测量结果。在这个实施方式的示例方面中，产生指纹图像可包括将激发矩阵减少一行和一列，将输出信号矩阵减少一行，以及通过将一行常数连接到输出信号矩阵和激发矩阵的逆矩阵的乘积来产生表示指纹图像的恢复的图像矩阵。在这个实施方式的示例方面中，产生指纹图像包括：基于伪随机序列和自相关函数产生激发矩阵；基于多个测量结果产生输出信号矩阵；以及基于输出信号矩阵和激发矩阵的转置矩阵的乘积来产生表示指纹图像的恢复的图像矩阵。

在示例实施方式中，用于产生指纹图像的设备包括定序器、差分接收器和去卷积引擎。定序器配置成在全差分多相模式中控制电容指纹传感器阵列的扫描。差分接收器配置成接收表示在电容指纹传感器阵列上的手指的测量信号。去卷积引擎配置成基于测量结果产生手指的指纹图像。在这个实施方式的示例方面中，定序器可包括配置成控制驱动信号对电容指纹传感器阵列的多个TX电极的复用的发射(TX)控制电路和配置成控制从电容指纹传感器阵列的多个RX电极的输出信号到差分接收器的复用的接收(RX)控制电路。在这个实施方式的示例方面中，差分接收器可包括：配置成从电容指纹传感器阵列的接收(RX)电极接收测量信号的差分放大器；耦合到差分放大器并配置成基于来自差分放大器的输出产生相移信号对的正交解调器；以及配置成基于相移信号对来产生I分量数字值和Q分量数字值的一对模数转换器(ADC)。在这个实施方式的示例方面中，去卷积引擎可包括一个或多个硬件电路，其配置成至少：将激发矩阵减少一行和一列；将输出信号矩阵减少一行；以及通过将一行常数连接到输出信号矩阵和激发矩阵的逆矩阵的乘积来产生表示指纹图像的恢复的图像矩阵。

在示例实施方式中，系统包括耦合到电容指纹传感器阵列的处理设备。处理设备配置成在全差分多相模式中扫描电容指纹传感器阵列，接收表示在电容指纹传感器阵列上的手指的测量结果，并基于测量结果产生手指的指纹图像。在这个实施方式的示例方面中，为了产生指纹图像，处理设备配置成至少：产生表示应用来复用电容指纹传感器阵列的多个电极的控制信号的极性的激发矩阵，以及将激发矩阵减少一行和一列；产生表示测量结果的输出信号矩阵，并将输出信号矩阵减少一行；以及通过将一行常数连接到输出信号矩阵和激发矩阵的逆矩阵的乘积来产生表示指纹图像的恢复的图像矩阵。在这个实施方式的示例方面中，电容指纹传感器阵列包括以在0.05mm和0.07mm之间的间距布置的多个电极。

在本文所述的用于多相扫描的技术的各种实施方式提供关于下列项中的一个或多个的重要改进：

1)本文所述的技术提供同于通过使用简化方程组来重建指纹的新方法，其允许通过使用零和MPTX激发序列、零和MPRX激发序列和组合零和MPTX/MPRX序列来得到指纹图像；

2)本文所述的技术提供硬件基线补偿电路，其允许当使用非零和MPTX和/或MPRX序列时提高接收器通道的有用信号动态范围；

3)本文所述的技术提供感测网格参考电极，其允许使用非零和MPRX序列而具有与零和MPRX序列的噪声抵消可比较的噪声抵消性能；

4)本文所述的技术提供补偿感测网格电极，其允许使用非零和MPTX序列而具有与用于零和MPTX序列的感测通道的动态范围可比较的感测通道的动态范围；

5)本文所述的技术提供消除差分放大器增益不平衡的方法，其允许使用较低成本感测硬件而具有与更昂贵的、更高质量放大器的性能可比较的性能；

6)本文所述的技术提供通过使用伪随机序列进行的RX输出信号去卷积的方法，该伪随机序列只使用±1的乘法因子和较低成本去卷积引擎而没有硬件乘法器；

7)本文所述的技术提供提高图像质量的基线补偿的方法，特别是用于零和MPTX/MPRX感测技术时。

多相信号去卷积基础

用于信号去卷积的常规方法一般在激发矩阵的逆矩阵上使用乘法，驱动或输出信号基于激发矩阵上被卷积。因此，用于信号去卷积的这样的常规方法只对具有非零和的激发序列起作用。然而，这样的常规方法不对基于零和序列的激发矩阵起作用，因为激发矩阵在这种情况下具有奇点，且因此任何测量信号不能被去卷积以得到所有传感器元件的信号值，其是卷积的部分。作为结果，没有基于全差分零和MORX序列、全差分零和激发序列或其组合的指纹图像重建的已知常规方法。注意，当MPTX序列和MPRX序列的组合被使用时，由传感器元件的基线电容引起的问题变得明显更糟，因为基线分量由于它与MPTX和MPRX序列的乘积成比例而变得更大。

本文所述的用于多相扫描的技术通过提供用于电容传感器阵列扫描和指纹图像重建的新颖的方法、设备和系统来处理常规信号去卷积方法的这些问题和缺点。在一些实施方式中，本文所述的技术允许通过使用用于驱动TX电极的全差分零和激发序列、用于感测RX电极的全差分零和序列和/或通过这样的序列的组合来重建检测到/未知的指纹图像。在各种实施方式中，本文所述的技术提供用于数学图像重建的新颖方法、电容指纹传感器阵列的新颖电极布置和新颖硬件基线补偿电路。

例如，本文所述的技术处理在电容指纹或触摸应用中由共模噪声(例如来自充电器或来自AM发射机的噪声)引起的问题。在一些实施方式中，当根据本文所述的技术使用差分扫描时，这样的共模噪声可实际上被消除，因为相同的噪声信号应用于两个差分放大器输入。在另一例子中，使用全差分多相模式来根据本文所述的技术驱动TX电极允许消除传感器阵列元件的非信息基线电容，因为在差分接收器处获取的测量信号只表示由指纹的特征(例如脊和谷)引起的电容差异。因为输出测量信号的基线分量不为感测电路提供任何有用的信息并减小它们的动态范围，通过执行基线补偿，本文所述的全差分多相模式扫描技术不需要使用较高通道增益设置并防止增加转换电路量化噪声的影响。

示例操作上下文

常规电容指纹感测技术不提供支持多相模式扫描的硬件。例如，这样的常规指纹感测技术不提供支持到相同的驱动或感测总线的多电极连接的TX和RX复用器。相反，本文所述的多相扫描技术对扫描操作的TX和RX侧提供具有基线补偿和多相支持的全差分多相扫描。在各种实施方式中，这可通过特殊传感器和/或处理设备、硬件、硬件加速元件和特殊图像重建处理方法的组合来实现。

图1是示出可依赖于非零和激发序列的根据本文所述的一些技术的示例传感器系统的实施方式的方框图。在图1所示的实施方式中，传感器系统10包括电容指纹传感器阵列(或传感器网格)121，其耦合到配置成从传感器阵列121获取指纹图像的电容指纹传感器101。在目的在于触摸应用的本文所述的技术的其它实施方式中，传感器系统可包括耦合到配置成检测、跟踪和/或计算在触摸传感器阵列上的接触部的位置坐标的电容触摸传感器的电容触摸传感器阵列。

电容指纹传感器阵列121包括N个接收(RX)电极和M个发射(TX)电极的网格。例如，电容指纹传感器阵列121包括TX电极122和RX电极123，其与彼此和与布置在阵列中的TX和RX电极的其余部分电绝缘。电容指纹传感器阵列121的TX和RX电极布置成使得每个TX电极可与在相应的传感器元件处的每个RX电极电容地耦合。例如，传感器元件124在传感器阵列121的位置区域处形成，其中TX电极122与RX电极123的位置交叉。在传感器阵列121中的每个TX电极通过TX复用器112耦合到电容指纹传感器101，且每个RX电极通过RX复用器113耦合到电容指纹传感器。

在各种实施方式中，电容指纹传感器(例如在图1中的传感器101)可配置成使用互电容感测来获取输出信号并产生表示由在电容指纹传感器阵列(例如在图1中的传感器阵列121)的传感器元件上的用户的手指的一部分引起的互电容的数字值(例如计数)。使用互电容感测，传感器阵列的一组电极(例如列电极)被表示为TX电极。使用由TX复用器施加到TX电极的TX驱动信号来驱动TX电极。传感器阵列的另一组电极(例如行电极)被表示为可与TX电极交叉但电绝缘的RX电极。由于在TX电极和RX电极之间的电容耦合，施加到TX电极的TX驱动信号引起在每个RX电极内的电流。因此，来自RX电极的输出信号表示由TX和RX电极形成的传感器元件的互电容。来自RX电极的输出信号可通过采样被测量，且接着样本可转换成数字值(例如计数)。表示电容指纹传感器阵列的所有传感器元件的互电容的数字值允许传感器或处理设备根据本文所述的技术重建用户的手指(或其一部分)的指纹图像。指纹图像可接着由处理设备或由单独的基于主机的应用使用来执行某个行动或操作，例如比较所获取的指纹图像与在指纹数据库中的图像，以便允许/拒绝对用户的访问或认证用户。

在图1中，电容指纹传感器101被实现为配置成与传感器阵列121交互作用并提供模拟信号处理(例如放大、集成和到数字值的转换)的模拟前端块。电容指纹传感器101包括带通滤波器(BPF)103、可变增益差分放大器(VGA)104、低通滤波器(LPF)106、TX复用器112、RX复用器113、信号发生器114、可编程延迟元件115、混合器116和模数转换器(ADC)117。在各种实施方式中，ADC 117的输出可耦合到处理逻辑或设备(未在图1中示出)，其可在与电容指纹传感器101相同的集成电路(IC)芯片/模块上或在不同的芯片/模块上实现。

信号发生器114使用时钟驱动信号来产生通过TX复用器112施加到电容指纹传感器阵列121的TX电极的TX驱动信号。在一些实施方式中，信号发生器114可包括根据时钟信号操作的一组开关，其中开关可通过周期性地将信号发射器114的输出连接到一个或多个电压源来产生TX驱动信号。信号发生器114的输出耦合到TX复用器112，其允许TX驱动信号按在受控序列顺序地施加到电容指纹传感器阵列121的M个TX电极中的每个。

施加到电容指纹传感器阵列121中的TX电极的TX驱动信号电容地引起在传感器阵列的RX电极中的输出信号。RX电极的输出耦合到RX复用器113，其允许来自一个或多个RX电极的输出信号被复用到BPF 103的输入。BPF 103耦合到RX复用器113的输出以接收输出信号并配置成过滤出输出信号的不需要的(例如噪声)分量。VGA104的输入耦合到BPF 103的输出，其允许VGA 104接收并处理经过滤的输出信号并产生放大的输出信号。

混合器116的输入耦合到VGA 104的输出以接收放大的输出信号。混合器116也耦合到可编程延迟元件115以接收延迟线信号。混合器116配置成作为同步检测器操作，其中同步检测器的参考信号基于从VGA 104接收的放大的输出信号，且延迟线信号用于实现在同步检测器输出处的最大信号，因为同步检测器本身是相位选择电路。LPF 106耦合到混合器116的输出以接收最大化的混合器输出信号并配置成过滤出由TX驱动信号引起的高频载波产物。ADC 117耦合到LPF 106的输出并配置成将来自LPF106的输出信号采样成数字值(例如计数N_ADC)。固件或定序器可接着用于将所产生的数字值传送到处理设备的存储器或基于主机的指纹应用(未在图1中示出)，其耦合到ADC 117的输出。以这种方式，数字值可被产生以表示电容指纹传感器阵列121的传感器元件的互电容。所产生的数字值可接着由处理设备或基于主机的指纹应用使用来根据本文所述的技术的一些实施方式重建指纹图像。

图2A和2B示出一起形成说明根据本文所述的一些技术的示例传感器系统的实施方式的单个完整视图的局部图。在图2A和2B中的局部图沿着边缘“E”连接在一起以形成传感器系统20的完整视图。在图2A和2B所示的实施方式中，传感器系统20包括电容指纹传感器阵列(或传感器网格)221，其耦合到配置成从传感器阵列221获取指纹图像的处理设备200。

类似于图1中的传感器阵列121，在图2A中的电容指纹传感器阵列221包括N个接收(RX)电极和M个发射(TX)电极的网格。例如，电容指纹传感器阵列221包括TX电极222和RX电极223，其与彼此和与布置在阵列中的TX和RX电极的其余部分电绝缘。电容指纹传感器阵列221的TX和RX电极布置成使得每个TX电极可与在相应的传感器元件处的每个RX电极电容地耦合。例如，传感器元件224在传感器阵列221的位置区域处形成，其中TX电极222与RX电极223的位置交叉。在传感器阵列221中的每个TX电极通过TX复用器212耦合到处理设备200，且每个RX电极通过RX复用器213耦合到处理设备。

类似于图1中的传感器阵列121，在图2A中的电容指纹传感器阵列221中的TX和RX电极布置和配置成当手指与传感器阵列的表面接触时从用户的手指(或其一部分)获取指纹图像。在各种实施方式中，为了获取有用的指纹图像，电容指纹传感器阵列(例如传感器阵列221)可配置成包括：在从4x4mm到12x12mm的范围内的活性(感测)区域；在从100到150的范围内的多个RX电极；由不透明金属材料制成并具有在从0.04mm到0.08mm的范围内的电极间距尺寸的TX和/或RX电极；可检测/感测具有(大约)0.05fF的电容的手指感应的信号的硬件传感元件；以及在从500kHz到30MHz的范围内的频率下操作扫描操作的硬件定时元件，5MHz到6MHz的子范围对更好的皮肤感觉是优选的。在这样的各种实施方式中，手指接触一般同时覆盖电容指纹传感器的所有TX/RX电极，这允许处理设备获取准确的指纹图像。电容指纹传感器阵列的这样的结构和操作特征实质上不同于一般电容触摸(例如触摸屏)传感器阵列的结构和操作特征，一般电容触摸传感器阵列可配置成包括：对于智能电话的大于50x100mm的活性(感测)区域(和对于平板计算机和膝上型/笔记本计算机甚至更大的活性区域)；大约10到20的多个RX电极，取决于屏幕面积和电极间距；一般由透明(例如铟锡氧化物或ITO)材料制成并具有大约3mm到5mm的电极间距尺寸的TX和/或RX电极；可检测/感测具有(大约)300fF的电容的接触信号的硬件传感元件；以及在从100kHz到大约500kHz的范围内的频率下操作扫描操作的硬件定时元件。对于一般电容触摸(例如触摸屏)传感器阵列，来自单个传导对象(例如用户的手指或手写笔)的接触一般只覆盖触摸屏活性区域的一小部分(例如同时触摸3到5个TX/RX电极)，一些触摸屏应用允许检测并跟踪来自共同覆盖实质上小于传感器阵列的全部活性区域的多个传导对象的接触。

在本文所述的各种实施方式中，处理设备(例如在图2A中的设备200)可配置成使用互电容感测来获取输出信号，并产生表示由在耦合到处理设备的电容指纹传感器阵列(例如在图2A中的传感器阵列221)的传感器元件上的用户的手指引起的互电容的数字值(例如计数)。例如，处理设备200可存在于公共载体基底例如集成电路(IC)管芯基底或多芯片模块基底上。可选地，处理设备200的部件可以是一个或多个单独的集成电路或分立部件。在一个示例实施方式中，处理设备200可以是在单个IC管芯上制造的可编程系统，例如来自在由加利福尼亚州圣约瑟的Cypress半导体公司开发的设备的芯片(PSoC^TM)系列上的可编程系统的设备。

如在图2A和2B中所示的，处理设备200包括模拟前端202、扫描控制引擎211、TX复用器212、RX复用器213、通道引擎218和中央处理单元(CPU)接口230。CPU接口230通过总线(例如先进高性能总线或AHB)耦合到一个或多个CPU或CPU子系统(未在图2A和2B中示出)。在一些(但不一定是全部)实施方式中，处理设备200也可包括配置成执行使用如在本文所述的基线补偿的多相扫描技术的基线补偿部件240。在图2A和2B的实施方式中所示的处理设备部件配置成执行本文所述的用于多相扫描的技术。然而注意，在各种实施方式中，不同的处理设备可包括可以用各种方式配置成执行本文所述的技术的相同和/或不同的部件(例如微处理器、微控制器、专用集成电路(ASIC)等)。因此，在图2A和2B中的处理设备200及其部件应在例证性而不是限制性的意义上被看待。

参考图2B，扫描控制引擎211包括定序器、TX控制电路和RX控制电路。定序器被实现为配置成控制在电容指纹传感器阵列221上的扫描操作的频率和其它定时特征的可编程硬件电路。定序器基于CPU接口230的定时表234来确定扫描操作的控制序列。TX控制电路配置成控制通过TX复用器212将驱动信号复用到电容指纹传感器阵列221的多个TX电极。RX控制电路配置成控制将来自电容指纹传感器阵列221的多个RX电极的输出信号复用到模拟前端202。

参考图2A，TX复用器212配置成将多个TX电极同时连接到(可能多个)TX驱动信号。TX复用器212耦合到信号发生器(未示出)以接收TX时钟信号214。TX时钟信号214用于产生通过TX复用器212施加到电容指纹传感器阵列221的TX电极的TX驱动信号。TX复用器212可包括根据从扫描控制引擎211的TX控制电路接收的控制信号来操作的一组(可能可编程)开关。当在全差分多相扫描模式中操作时，TX复用器212可将三个TX驱动信号同时施加到多个TX电极：正TX时钟信号(例如在图2A中被指示为“tx_p”)、具有TX时钟信号的相同的幅度但相反的极性的反TX时钟信号(例如在图2A中被指示为“tx_n”)和系统接地信号。根据由在扫描控制引擎211中的定序器产生的受控序列，在扫描操作期间，正TX时钟信号(“tx_p”)施加到多个TX电极，反TX时钟信号(“tx_n”)施加到相同数量的其它TX电极，以及系统接地信号施加到电容指纹传感器阵列221的其余TX电极。当施加到传感器阵列的TX电极时，TX驱动信号电容地导致在传感器阵列的RX电极中的输出信号。

RX复用器213耦合到电容指纹传感器阵列221的RX电极并配置成将来自多个RX电极的输出信号同时复用到模拟前端202的输入。RX复用器213可包括根据从扫描控制引擎211的RX控制电路接收的控制信号来操作的一组(可能可编程)极性切换电路。例如，当在全差分扫描模式中操作时，RX复用器213可根据由在扫描控制引擎211中的定序器产生的受控序列同时复用来自多个TX电极的输出信号(和/或切换输出信号的极性)。以这种方式，在这些实施方式中，来自多个RX电极的输出信号可被卷积到具有相反极性的输出信号(例如在图2A中被指示为“i_rx_p”和“i_rx_n”)中。

模拟前端202耦合到RX复用器213以从电容指纹传感器阵列221的RX电极接收(可能卷积的)输出信号。模拟前端202被配置为差分接收器并包括带通滤波器(BPF)203、可变增益差分放大器(VGA)204、相移参考信号发生器205、一对乘法器216a和216b、一对低通滤波器(LPF)206a和206b以及一对同时采样的模数转换器(ADC)217a和217b。BPF 203的输入耦合到RX复用器213的输出以从RX电极接收输出信号。BPF 203的输出耦合到VGA 204的反相输入和非反相输入。VGA 204耦合到正交解调器，其包括乘法器216a和216b、参考信号发生器205、LPF 206a和206b以及ADC 217a和217b。特别地，VGA 204的输出耦合到两个乘法器216a和216b的信号输入。每个乘法器216a和216b由参考信号发生器205所产生的两个参考信号之一驱动，其中每个参考信号与另一个成90度相移。乘法器216a和216b的输出分别耦合到LPF 206a和206b的输入，且LPF 206a和206b配置成从它们的相应输入信号移除高频分量。LPF 206a和206b的输出分别耦合到ADC 217a和217b的输入，且ADC 217a和217b配置成同时对它们的相应输入采样并产生相应的数字值(例如计数)。由ADC 217a和217b产生的数字值分别表示来自VGA 204的输出信号的经相移、滤波的I分量和Q分量。

模拟前端202的输出(例如ADC 217a和217b的输出)耦合到通道引擎218的输入。因此，通道引擎218配置成从ADC 217a和217b接收数字化的I分量和Q分量值。通道引擎218包括：配置成分别对I分量和Q分量值求平方的一对硬件块；配置成求平方I分量和Q分量值的积分的求和块；以及配置成从平方I分量和Q分量值的积分和计算平方根的硬件计算块，其中平方根是表示电容指纹传感器阵列221的给定/已知的传感器元件的互电容的数字值。结果平方根值存储在CPU接口230的RAM存储器232中。

CPU接口230包括RAM存储器缓冲器232、定时表234、去卷积引擎236和寄存器238。RAM存储器缓冲器232可在易失性存储器中实现以存储表示电容指纹传感器阵列221的传感器元件的互电容的结果值的矩阵。定时表234可在易失性或非易失性存储器中实现以存储由扫描控制引擎211的定序器使用来控制扫描操作的控制序列。去卷积引擎236可被实现为一个或多个硬件逻辑元件例如逻辑门、查找表(LUT)等的块。去卷积引擎236配置成通过执行本文所述的技术的各种计算和其它操作来将扫描操作的结果矩阵去卷积。寄存器238用于来/去处理设备200的一个或多个CPU或CPU子系统(未在图2B中示出)传递控制、地址和数据信息。

在本文所述的技术的一些(但不一定是全部)实施方式中，处理设备还可包括基线补偿部件。在图2A的实施方式中，处理设备200包括配置成通过将移除在两个输入信号之间的任何不平衡的相反相位补偿信号施加到BPF 203来提高接收器通道的有用信号动态范围的硬件基线补偿电路240。(通常，信号动态范围指信号幅度的范围或它们作为数字值的表示，其对区分开由传感器阵列检测的期望特征例如在指纹的脊和谷之间的对比度是有用的。)例如，基线补偿电路240包括两对可变电容器，其在BPF203的输入处耦合在反相和非反相TX驱动信号线与反相和非反相RX输出信号线之间。可变电容器对可被调谐以产生具有可补偿由传感器阵列的结构、在处理设备中的信号路由线或开关等引起的任何不平衡的期望值的相反相位补偿信号(例如施加到BPF 203的输出信号“i_rx_p”和“i_rx_n”)。注意在各种实施方式中，基线补偿电路可包括不同的元件(例如电流源)以实现等效功能。

为了执行扫描操作，传感器系统20的部件如下操作。处理设备200的CPU配置在用于扫描电容指纹传感器阵列221中的传感器元件的扫描控制引擎211中的定序器，并布置期望的扫描定时参数例如操作频率、每一个传感器交叉点的TX周期/时隙的数量、扫描初始化延迟等。一旦CPU初始化传感器阵列扫描，定序器就配置用于传感器阵列221中的每个传感器元件的TX复用器212和RX复用器213并使能到扫描控制引擎211的TX控制电路和RX控制电路的信号。在这个时间点，扫描操作的驱动周期开始且一个或多个TX电极基于TX时钟信号214使用驱动信号被激励/驱动。驱动信号在施加到被驱动的TX电极时电容地导致在传感器阵列221的RX电极中的输出信号。当用户的手指存在于电容指纹传感器阵列221上时，所导致的RX输出信号反映用户的指纹的细节(例如脊、对比度等)。

来自一个或多个RX电极的输出信号施加到RX复用器213的输入并传递到在模拟前端202中的BPF 203的输入。BPF 203过滤出由手指注入或来自其它源(例如在智能电话内部的切换调节器)的离带噪声分量。BPF203可以是有源的或无源的，例如各种实施方式和实现可使用基于无源的滤波器(例如LC滤波器)或有源(例如基于回旋器的)滤波器或其组合。

由BPF 203过滤的输出信号施加到VGA 204的差分放大器输入。VGA 204作为可变增益放大器操作；它的增益水平在处理设备200的固件中被设置，例如取决于在电容指纹传感器阵列221中的传感器元件的互电容值的幅度。

VGA 204的放大的输出信号被供应到在模拟前端202的正交解调器中的一对同步检测器。一对正交移位参考信号由参考信号发生器205供应到正交解调器的乘法器216a和216b。正交检测器参考信号的频率与TX时钟信号214的频率相同。TX时钟信号频率可以在几兆赫兹的范围内，例如在5MHz到10MHz的范围内。例如，一些处理设备可在TX频率例如5MHz下操作扫描操作，且一些在更高频率例如9MHz下。来自乘法器216a和216b的输出信号提供与检测器参考信号有关的恒定的输出信号对输入信号的相位。

来自乘法器216a和216b的输出信号施加到一对LPF 206a和206b。LPF 206a和206b移除高频转换产物，留下相应的LPF输入信号的DC水平。其后，来自每个LPF(206a或206b)的输出信号的DC分量被传递到它自己的相应ADC(ADC 217a和217b)。每个ADC 217a和217b将它的输入模拟信号转换成数字值(例如计数)。从ADC 217a和217b输出的数字值(例如采样计数)分别表示从VGA204接收的放大输出信号的I分量和Q分量。

从ADC 217a和217b输出的数字值(例如采样计数)由通道引擎218处理。通道引擎218执行几个功能：它计算从ADC 217a和217b接收的I分量和Q分量的平方；将平方的I分量和Q分量值的积分求为积分和；以及从积分和计算平方根，其中平方根是表示电容指纹传感器阵列221的给定/已知的传感器元件的互电容的数字值。平方根结果存储在CPU接口230的RAM存储器232中，例如平方根结果可存储在RAM存储器232中初始化的矩阵或其它适当的数据结构中以表示传感器阵列221的传感器元件的网格。因此，当用户的手指存在于电容指纹传感器阵列221上时，存储在RAM存储器232中的结果值的矩阵反映用户的指纹的细节(例如脊、对比度等)。

以多相扫描配置进行感测网格连接

在各种实施方式中，为包括M个TX电极和N个RX电极的电容指纹传感器实现本文所述的多相扫描的技术。当用户的手指存在于传感器阵列上且传感器阵列被扫描时，在RX电极和TX电极的每个交叉点处的传感器元件包含需要被测量的未知互电容Cm。

本文所述的技术的各种实施方式的结果和方法基于图3所示的感测网格连接。根据本文所述的技术的各种实施方式，图3示出传感器阵列的TX和RX电极分别到TX驱动器和RX接收通道的连接的例子。在图3中，电容指纹传感器阵列321类似于在图2A/2B的传感器系统20中的电容指纹传感器阵列221。在传感器阵列321中的每个TX电极通过TX复用器312耦合到处理设备(未在图3中示出)，且传感器阵列的每个RX电极通过RX复用器313耦合到处理设备。在图3中，对于可使用多相TX扫描模式的实施方式，块307示出到传感器阵列321的TX电极连接如何相应于TX激发矩阵。对于可使用多相RX扫描模式的实施方式，块308示出到传感器阵列321的RX电极连接如何相应于RX激发矩阵。注意，图3所示的TX和RX电极连接的组合也可用于可使用多相组合的RX/TX扫描模式的实施方式。

TX电极连接。在图3中，每个TX电极连接到3:1复用器(MUX)，其将它连接到三个源之一：TX时钟信号(例如TX CLK信号314)、反相TX时钟信号(例如反相TX CLK)或Vref信号(其可以是系统接地)。每个MUX使用由处理设备设置的控制信号(例如通过在图2B中的扫描控制引擎211中的定序器)被控制，其中控制信号可采用三个极性值之一：+1、0或-1，其分别相应于三个TX源信号之一：TX时钟信号、Vref信号或反相TX时钟信号之一。注意，TX激发矩阵由表示在扫描操作的给定时期期间在给定列(或行，如在图3中的展示的)中的每个TX电极的极性值(+1、0和-1之一)的矢量形成。

RX电极连接。在图3中的实施方式示出有连接到传感器阵列321的RX电极的一个差分接收器；然而注意，不同的实施方式可使用可连接到RX电极例如多达数量N的RX电极的不同数量的差分接收器。在图3中，差分接收器通过使用每个RX电极的单独极性切换电路而连接到所有RX电极。每个极性切换电路可单独地由来自处理设备的控制信号(例如由在图2B中的扫描控制引擎211中的定序器)控制，其中控制信号可采用三个值之一：

·0(指示这个RX电极从差分接收器断开)；

·1(指示这个RX电极连接到差分接收器的正输入)；

·-1(指示这个RX电极连接到差分接收器的负输入)。

注意，RX激发矩阵由表示在扫描操作的给定时期期间在给定行(或列，如在图3中的展示的)中的每个RX电极的极性值(+1、0和-1之一)的矢量形成。也注意，在图3中，记号“R(n,m)”表示来自位于第“n”个RX电极和第“m”个TX电极的交叉点处的传感器元件的输出信号。连接到差分放大器304的输入的Gp和Gm放大器(309a和309b)示出正和负输入的增益失配。在理想理论情况下，正增益Gp和负增益Gm彼此抵消，例如Gp＝-Gm，但实际上在实际硬件中它们不，例如Gp≠-Gm。这引起如下讨论的一些问题。

本文所述的技术提供基于图3所示的TX和RX感测网格连接的三个基本扫描机制：

·多相RX(MPRX)扫描；

·多相TX(MPTX)扫描；

·组合的多相RX和TX扫描。

为了更好地解释这些扫描机制，下面提供基于矩阵的描述。

多相扫描的矩阵形式表示

下面描述多相扫描技术的矩阵形式表示，且接下来的章节使用类似的表示来描述多相RX(MPRX)扫描技术、多相TX(MPTX)扫描技术和组合的多相RX和TX扫描技术。如在本文使用的，矩阵指配置成存储数据值的数据结构。在根据本文所述的技术的各种实施方式和实现中，矩阵可在易失性存储器(例如随机存取存储器或RAM)中、在非易失性存储器(例如闪存、只读存储器或ROM等)中或在任何其它适当的存储设备中实现。

传感器元件的未知互电容的矩阵X。未知互电容Cm_N,M的矩阵X具有N乘M的尺寸，其相应于分别具有N个RX电极和M个TX电极的传感器阵列。矩阵X的每个数据元素相应于在位于给定TX/RX交叉点处的传感器元件处的未知互电容Cm_N,M。传感器元件的互电容是未知的，因为从传感器阵列接收的输出信号是可表示来自多个RX电极(例如每MPRX扫描)的测量结果、由在多个TX电极(例如每MPTX扫描)上的TX驱动信号引起的测量结果或由多个TX电极引起的和在多个RX电极(例如组合MPTX/MPRX扫描)上测量的测量结果的卷积信号。在下面的方程1中表示矩阵X：

RX激发矩阵Er。矩阵Er的每行表示包括相应于控制信号的极性的数据值的激发矢量，控制信号在给定时间点控制RX复用器的极性切换电路。例如，如下所示，矩阵Er的第一行包括关于在第一RX时隙处的RX电极连接的信息，第二行关于在第二RX时隙处的RX电极连接，依此类推。RX时隙指示扫描操作的时期，在其期间，RX复用器具有在该时期期间不改变的冻结/固定配置。

TX激发矩阵Et。矩阵Et的每行表示包括相应于控制信号的极性的数据值的激发矢量，控制信号在给定时间点控制TX复用器。例如，如下所示，矩阵Et的第一行包括关于在第一TX时隙处的TX电极连接的信息，第二行关于在第二TX时隙处的TX电极连接，依此类推。TX时隙指示扫描操作的时期，在其期间，TX复用器具有在该时期期间不改变的冻结/固定配置。

接收器输出信号的矩阵Rr和Rt。矩阵Rr包括表示输出信号的数字值，其在多相MPRX扫描操作期间被得到并表示在电容指纹传感器阵列的传感器元件处测量的未知互电容。矩阵Rt包括表示输出信号的数字值，其在多相MPTX扫描操作期间被得到并表示在电容指纹传感器阵列的传感器元件处测量的未知互电容。下面分别在方程2和3中表示矩阵Rr和Rt：

多相RX扫描的例子

根据本文所述的技术，在多相RX扫描中，RX接收器输入信号(RX电极输出信号)的极性根据基于在下面的方程4中的激发矢量Er_Vect的环形旋转而创建的矩阵Er交替：

Er_Vect＝[+1 –1 … 0 –1 0 … +1] (方程4)

在激发矢量Er_Vect中的数据值的和定义多相RX激发序列的和。如果在激发矢量中+1数据元素的数量匹配-1数据元素的数量，则这意味着多相序列的和等于零(例如它是全差分的或零和激发序列)。在物理领域中，这意味着连接到差分放大器的反相输入的RX电极的数量等于连接到差分放大器的非反相输入的RX电极的数量。这个配置提供电容指纹传感器系统的共模噪声抑制，因为该配置允许差分放大器抑制在所测量的输出信号中的任何噪声。在图4中示出这样的配置的例子。

图4是示出根据本文所述的技术的一些实施方式的通过使用零和RX激发序列进行共模噪声抑制的例子的方框图。在图4中，电容指纹传感器阵列421类似于在图2A/2B的传感器系统20中的电容指纹传感器阵列221。传感器阵列421布置在触摸表面429之下，触摸表面429可以电气地、感应地或以其他方式(例如有意地或非有意地)耦合到噪声源425。噪声源425可以是一个或多个切换元件、LCD驱动器电路元件、充电器、AM发射器和/或可在传感器系统的操作期间影响传感器阵列421的任何其它部件。在图4中的实施方式使用零和RX激发矢量，且处理设备400包括差分接收器，其如在本文所述的被耦合以抑制来自噪声源例如源425的噪声。

作为例子，假设激发矢量Er_Vect只包含两个非零数据元素，其中这些元素之一是+1而另一元素是-1。这意味着在任何给定RX时隙，只有两个RX电极耦合到差分接收器，使得RX电极之一的输出耦合(例如通过RX复用器)到正接收器输入，而另一RX电极的输出耦合(例如通过RX复用器)到负接收器输入。因此，这个激发矢量是零和矢量，因为它的数据元素的和等于零。

激发矢量Er_Vect可通过参数例如“移位”参数被定义。移位参数等于在激发矢量Er_Vect中的+1和-1非零元素的索引(在激发矢量内)之间的差异。例如，在shift＝2和excitation_vector_length＝6处，在下面的方程5中示出Er_Vect：

Er_Vect＝[+1 0 –1 0 0 0] (方程5)

在这个实例中，激发矩阵Er矩阵可如下面在方程6中所示的被得到：

如可在方程6的激发矩阵Er中看到的，激发矢量Er_Vect的+1和-1非零元素在矩阵的每行中偏移了一个位置，在前一行的末尾处的数据元素旋转到下一行的开始部分，同时将移位参数维持在2(即对于矩阵的每行shift＝2)。以这种方式，激发矩阵Er矩阵由shift＝2的激发矢量Er_Vect的环形旋转产生。

基于Er激发矩阵的传感器阵列扫描可在数学上被描述为矩阵乘法，如下面在方程7中所示的：

Rr＝Er·X (方程7)

其中按照上面的记号，X是在传感器阵列中的传感器元素的未知互电容的矩阵，Er是RX激发矩阵，以及Rr是接收器输出信号矩阵。在数学上，方程7可被考虑为RX激发矩阵Er和未知互电容的矩阵X的卷积过程。注意，输出信号矩阵Rr通过用于引起输出信号的TX电极“收集”关于指纹图像的对比度的信息，但关于在这些TX电极处的传感器元件的基线电容的信息被失去，因为差分放大器输出只表示在传感器元件之间的电容差的信号。

在矩阵X中表示的原始指纹图像的恢复可使用应用于Rr矩阵的去卷积过程来完成，如下面在方程8中所示的：

Yr＝inverse(Er)·Rr (方程8)

其中矩阵Yr是在矩阵X中表示的指纹图像的恢复的图像矩阵。

然而，在当激发矩阵Er基于零和激发矢量的环形旋转而被创建的情况下存在问题。这个问题是，这种Er矩阵的轶(例如线性无关行矢量的最大数量)比矩阵维度小一，且作为结果，Er矩阵的逆矩阵inverse(Er)不能被计算。信号去卷积的常规方法不提供对这个问题的解决方案。

在一些实施方式中，本文所述的技术通过提供用于通过使用一组简化线性方程恢复指纹图像的方法来处理这个问题。例如，处理设备可配置成使用一组简化线性方程来如下处理上述问题。激发矩阵Er减少一行和一列，且在方程7中的一个未知数被固定到恒定的值。为了使inverse(Er)矩阵和Rr矩阵的维度一致，在Rr矩阵中的一行减少(例如被移除)。因此，因而产生的恢复的图像矩阵Yr的维度将比原始矩阵X少一。为了使X和Yr矩阵的维度一致，一行恒定值(例如一行零)连接到Yr矩阵。图5示出根据本文所述的技术的在矩阵项中的零和多相RX激发(卷积)和去卷积的方法。

在图5中的方法的操作被描述为由处理设备或其部件(例如在图2A/2B中的处理设备200或它的RX复用器213和去卷积引擎236)执行。然而注意，各种实现和实施方式可使用各种和可能多个部件来执行在图5中的方法的操作。例如在各种实施方式中，处理设备可配置有固件指令，其当由一个或多个处理器或其它硬件部件(例如微控制器、ASIC等)执行时可操作来执行图5中的方法的操作。在另一例子中，在各种实施方式中，处理设备可在单个IC部件中实现，或它的功能可在可执行一些额外的操作和功能的两个或更多IC部件当中扩展。因此，如由处理设备执行的在图5中的方法的下文中的描述应在例证性而不是限制性意义上被看待。

参考图5，处理设备基于激发矩阵Er对电容指纹传感器阵列执行扫描操作。激发矩阵Er可存储在处理设备的易失性或非易失性存储器中，并基于来自零和激发矢量Er_Vect的环形旋转而产生。

作为在电容指纹传感器阵列上的扫描操作的部分，在操作502中，处理设备根据上面的方程7执行激发(卷积)。在相应于激发矩阵Er的行的RX时隙处，处理设备根据激发矩阵的相应行配置RX复用器，驱动传感器阵列的TX电极，并接收测量输出信号，其被存储在输出信号矩阵Rr中。存储在矩阵Rr中的测量结果是基于激发矩阵Er和相应于传感器阵列的传感器元件的未知互电容Cm_N,M的矩阵X的乘法的卷积表示。处理设备然后将激发矩阵Er减少一行和一列，并且也将输出信号矩阵Rr矩阵减少一行，如由参考数字504指示的。

在操作506中，处理设备根据上面的方程8执行去卷积。处理设备计算简化的激发矩阵Er的逆矩阵inverse(Er)，并将逆矩阵乘到减少一行的输出信号矩阵Rr以得到减少一行的矩阵Yr。

在操作508中，处理设备使X矩阵和减少一行的矩阵Yr均等。处理设备将一行恒定值(例如一行零)连接到减少一行的矩阵Yr。结果是恢复的图像矩阵Yr，其表示在传感器阵列上检测到的指纹图像。

图6A是示出根据示例实施方式的用于多相RX扫描的激发(卷积)的示例方法的流程图。图6B是示出根据示例实施方式的用于多相RX扫描的去卷积的示例方法的流程图。在图6A和6B中的方法的操作被描述为由处理设备或其部件(例如在图2A/2B中的处理设备200或它的TX复用器212、RX复用器213和去卷积引擎236)执行。然而注意，各种实现和实施方式可使用各种和可能多个部件来执行在图6A和6B中的方法的操作。例如在各种实施方式中，处理设备可配置有固件指令，其当由一个或多个处理器或其它硬件部件(例如微控制器、ASIC等)执行时可操作来执行图6A和6B中的方法的操作。在另一例子中，在各种实施方式中，处理设备可在单个IC部件中实现，或它的功能可在可执行一些额外的操作和功能的两个或更多IC部件当中扩展。此外，在一些实施方式中，在图6A和6B中的方法可由处理设备执行来重建数字计数的矩阵(例如热图)，其表示由传导对象(例如手写笔或手指)在电容触摸传感器阵列上的接触。因此，如由处理设备执行的和/或用于指纹图像重建的在图6A和6B中的方法的下文中的描述应在例证性而不是限制性意义上被看待。

参考图6A，在操作600中，处理设备开始在具有N个RX电极和M个TX电极的电容指纹传感器阵列上的多相RX扫描操作的激发(卷积)。在操作602中，处理设备初始化(或以其他方式定义)RX激发矩阵Er，并将激发矩阵存储在易失性或非易失性存储器中。例如，根据本文所述的方法，处理设备可基于零和激发矢量Er_Vect的环形旋转来产生激发矩阵Er。在操作604中，处理设备将当前电极变量(例如“m”)初始化到1，当前电极变量指示由处理设备驱动的当前TX电极作为扫描操作的部分。

在操作606中，处理设备将当前(例如“第m个”)TX电极耦合到TX驱动器，而其它TX电极耦合到系统地(例如另一参考信号)。例如，处理设备可配置TX复用器以将当前(例如“第m个”)TX电极连接到TX驱动器，同时将TX电极的其余部分连接到系统地。在操作608中，处理设备将当前行变量(例如“n”)初始化到1，当前行变量表示当前时隙，在该时隙期间，多个RX电极根据激发矩阵Er的当前(例如“第n”)行被感测。

在操作610中，处理设备根据激发矩阵Er的当前(例如“第n”)行将多个RX电极连接到处理设备的差分接收器。例如，处理设备可根据由在激发矩阵Er的当前行中的数据元素定义的控制信号来配置RX复用器。当在全差分多相模式中执行扫描操作时，在激发矩阵Er的当前行中，+1数据元素的数量匹配-1数据元素的数量。在这样的情况下，RX复用器将多个RX电极耦合到差分接收器的非反相输入，切换相同数量的RX电极的极性并将相同数量的RX电极耦合到差分接收器的反相输入，并将任何其余的RX电极耦合到系统地(或另一参考信号)。

在操作612中，处理设备中的差分接收器接收输出信号，并处理输出信号以产生数字值，如在这以前所述的。所接收的输出信号的数字值Rr(n,m)是在位于传感器阵列的第N行和第M列处的传感器元件处的未知互电容的卷积表示。处理设备将所产生的数字值存储在输出信号矩阵Rr中的相应条目(例如(n,m))处，并继续进行操作614。在操作614中，处理设备使当前行变量(例如“n”)递增以指示在激发矩阵Er中的下一行(例如以指示用于基于当前TX电极来感测RX电极的下一时隙)。在操作616中，处理设备检查递增的当前行变量是否小于或等于在激发矩阵Er中的行的数量N。如果递增的当前行变量小于或等于N，则处理设备确定一些更多的RX电极将需要基于当前TX电极被扫描，所以处理设备继续对在激发矩阵Er中的下一行重复操作610、612、614和616。如果在操作616中处理设备确定递增的当前行变量大于在激发矩阵Er中的行的数量N，则处理设备确定它基于当前TX电极扫描了所有的RX电极，所以处理设备继续进行操作618。

在操作618中，处理设备使当前电极变量(例如“m”)递增以指示将耦合到TX驱动器并被激励用于扫描的下一TX电极。在操作620中，处理设备检查递增的当前电极变量是否小于或等于在电容指纹传感器矩阵中的TX电极的数量M。如果递增的当前电极变量小于或等于M，则处理设备确定一些更多的TX电极将需要被驱动，所以处理设备继续对下一TX电极重复操作606、608、610、612、614、616、618和620。如果在操作620中处理设备确定递增的当前电极变量大于TX电极的数量M，则处理设备确定所有TX电极的扫描已完成且输出信号矩阵Rr的所有数字值已产生。处理设备然后继续进行操作622以结束扫描操作的当前扫描循环并继续进行扫描操作的其它操作(如果有的话)。

在图6B中的操作可由处理设备的去卷积引擎执行。在图6B中，在操作630开始时，激发矩阵Er和输出信号矩阵Rr已根据图6A的方法来产生，并存储在易失性和非易失性存储器中。在操作630中，处理设备通过访问激发矩阵Er来开始去卷积过程。在操作632中，处理设备计算激发矩阵Er的行列式并检查所计算的行列式是否等于零，例如是否det(Er)＝0。(矩阵的行列式是基于特定的算术表达式从矩阵的数据元素计算的标量值。矩阵的行列式提供关于由矩阵表示的线性方程组的信息，例如，如果行列式是非零值，则方程组具有唯一解；如果行列式为零，则矩阵是奇异的且方程组没有解或有多个解。)

如果在操作632中处理设备确定激发矩阵Er的行列式是非零值，例如det(Er)≠0，则处理设备继续进行操作634和636。在操作634中，处理设备计算激发矩阵Er的逆矩阵iEr。在操作636中，处理设备通过将逆矩阵iEr乘到输出信号矩阵Rr来计算恢复的图像矩阵Yr，例如Yr＝iEr*Rr。恢复的图像矩阵Yr存储在易失性或非易失性存储器中并表示由在电容传感器阵列上的扫描操作检测的指纹图像。在下文中，处理设备可以可选地继续进行操作646，或可在操作648结束去卷积。

如果在操作632中处理设备确定激发矩阵Er的行列式为零，例如det(Er)＝0，则处理设备确定激发矩阵Er是奇异的并继续进行操作638、640、642和644以使用一组简化线性方程来恢复在输出信号矩阵Rr中表示的指纹图像。在操作638中，处理设备将激发矩阵Er减少一行和一列(例如通过从矩阵移除一行和一列)，并计算简化的激发矩阵Er的逆矩阵iEr。在操作640中，处理设备将输出信号矩阵Rr减少一行(例如通过从矩阵移除一行)。在操作642中，处理设备通过将所计算的逆矩阵iEr乘到简化的输出信号矩阵Rr来计算减少一行的矩阵Yr，例如Yr＝iEr*Rr。在操作644中，处理设备通过将一行恒定值(例如一行零)连接到减少一行的矩阵Yr来计算恢复的图像矩阵Yr，例如Yr＝(Yr concat ConstRow)。恢复的图像矩阵Yr存储在易失性或非易失性存储器中并表示由在电容传感器阵列上的扫描操作检测的指纹图像。在下文中，处理设备可以可选地继续进行操作646，或可在操作648结束去卷积。

在一些实施方式中，处理设备可以可选地执行操作646以通过恢复RX电极处的对比度信息来提高指纹图像质量。例如在操作646中，处理设备可在恢复的图像矩阵Yr上使用后处理方法用于基线补偿(例如，如在下文关于图17所述的)。在操作648中，处理设备结束去卷积并可以继续进行其它指纹图像处理操作。

多相TX扫描的例子

根据本文所述的技术，多相TX扫描以与上面所述的多相RX扫描类似的方式继续。在多相TX扫描中，施加到TX电极的TX驱动信号的极性根据基于激发矢量Et_Vect的环形旋转而创建的Et激发矩阵由TX复用器控制，例如，如下面在方程9中所述的：

Et_Vect＝[+1 0 … +1 0 –1 … +1] (方程9)

零和与非零和MPTX激发序列可以用与上面对MPRX激发序列描述的相同的方式产生。例如，在最简单的情况下，激发矢量Et_Vect例如根据下面的方程10可以只包含两个非零数据元素，其中一个是+1而另一个是-1：

Et_Vect＝[+1 –1 … 0 0 … 0] (方程10)

在方程10中的激发矢量Et_Vect指示在扫描操作的给定TX时隙中，只有两个TX电极被驱动，使得一个TX电极以正TX驱动信号(例如TX_CLK)被驱动，而另一个TX电极以负TX驱动信号(例如反相TX_CLK)被驱动，其余TX电极保持在参考信号(例如系统地)处。

在多相TX扫描的一些实施方式中，在电容指纹传感器阵列上的扫描操作可基于激发矩阵Et例如根据下面的方程在数学上被描述为矩阵乘法：

Rt＝Et·X′ (方程11)

其中X′是在传感器矩阵中的传感器元件的未知互电容Cm的转置矩阵，Et是TX激发矩阵，以及Rt是输出信号矩阵。在数学上，方程11可被考虑为TX激发矩阵Et和未知互电容的转置矩阵X′的卷积过程。注意，输出信号矩阵通过被感测的RX电极“收集”关于指纹图像的对比度的信息，但关于在这些RX电极处的传感器元件的基线电容的信息被失去，因为差分放大器输出只表示在传感器元件之间的电容差的信号。

以矩阵X′表示的原始指纹图像的恢复可使用去卷积过程来完成，类似于应用于Rt矩阵的上面所述的RX去卷积过程，例如，如在下面的方程12中示出的：

Yt＝(inverse(Et)·Rt)′ (方程12)

其中矩阵Yt是在矩阵X′中表示的指纹图像的恢复的图像矩阵。然而在这种情况下，与上面对RX激发矩阵Er所述的相同的问题存在，且用于信号去卷积的常规方法不提供对这个问题的解决方案。也就是说，当基于零和激发矢量的环形旋转来创建激发矩阵Et时，矩阵Et的轶比矩阵维度少一，且作为结果，它的逆矩阵inverse(Et)不能被计算。

本文所述的技术通过提供使用如上面对多相RX扫描所述的一组简化线性方程的类似方法来处理这个问题。例如，在一些实施方式中，处理设备可配置成使用一组简化线性方程来如下处理上述问题。激发矩阵Er减少一行和一列，且它的逆矩阵inverse(Et)被计算。为了使inverse(Er)矩阵和Rr矩阵的维度一致，减少在Rr矩阵中的一行(例如被移除)。因此，因而产生的恢复的图像矩阵Yr的维度将比原始矩阵X少一。为了使X和Yr矩阵的维度一致，一行恒定值(例如一行零)连接到Yr矩阵。

图7A是示出根据示例实施方式的用于多相TX扫描的激发(卷积)的示例方法的流程图。图7B是示出根据示例实施方式的用于多相TX扫描的去卷积的示例方法的流程图。在图7A和7B中的方法的操作被描述为由处理设备或其部件(例如在图2A/2B中的处理设备200或它的TX复用器212、RX复用器213和去卷积引擎236)执行。然而注意，各种实现和实施方式可使用各种和可能多个部件来执行在图7A和7B中的方法的操作。例如在各种实施方式中，处理设备可配置有固件指令，其当由一个或多个处理器或其它硬件部件(例如微控制器、ASIC等)执行时可操作来执行图7A和7B中的方法的操作。在另一例子中，在各种实施方式中，处理设备可在单个IC部件中实现，或它的功能可在可执行一些额外的操作和功能的两个或更多IC部件当中扩展。此外，在一些实施方式中，在图7A和7B中的方法可由处理设备执行来重建数字计数的矩阵(例如热图)，其表示由传导对象(例如手写笔或手指)在电容触摸传感器阵列上的接触。因此，如由处理设备执行的和/或用于指纹图像重建的在图7A和7B中的方法的下文中的描述应在例证性而不是限制性意义上被看待。

参考图7A，在操作700中，处理设备开始在具有N个RX电极和M个TX电极的电容指纹传感器阵列上的多相TX扫描操作的激发(卷积)。在操作702中，处理设备初始化(或以其他方式定义)TX激发矩阵Et，并将激发矩阵存储在易失性或非易失性存储器中。例如，根据本文所述的方法，处理设备可基于零和激发矢量Er_Vect的环形旋转来产生激发矩阵Et。在操作704中，处理设备将当前电极变量(例如“n”)初始化到1，当前电极变量指示由处理设备感测的当前RX电极作为扫描操作的部分。在一些实施方式中，处理设备可以可选地执行操作706以得到在传感器阵列中的传感器元件的互电容Cm的空转置矩阵X′，其中矩阵X′表示在传感器阵列处感测的指纹图像。

在操作708中，处理设备将当前(例如“第n个”)RX电极耦合到处理器设备的接收器的正输入以便感测由所驱动的TX电极引起的输出信号，而其余RX电极耦合到系统地。例如，处理设备可通过根据适当的控制信号配置RX复用器来执行操作708。在操作710中，处理设备将当前行变量(例如“m”)初始化到1，当前行变量表示当前时隙，在该时隙期间，多个TX电极根据激发矩阵Et的当前(例如“第m”)行被驱动(激励)。

在操作712中，处理设备根据激发矩阵Et的当前(例如“第m”)行将多个TX电极耦合到TX驱动器。例如，处理设备可根据由在激发矩阵Et的当前行中的数据元素定义的控制信号来配置TX复用器。当在全差分多相模式中执行扫描操作时，在激发矩阵Et的当前行中，+1数据元素的数量匹配-1数据元素的数量。在这样的情况下，TX复用器将多个TX电极耦合到正TX驱动信号(例如TX时钟信号)，将相同数量的TX电极耦合到负TX驱动信号(例如反相TX时钟信号)，并将任何其余的RX电极耦合到系统地。

在操作714中，处理设备中的差分接收器感测(例如接收)在当前(例如“第n个”)RX电极处的所引起的输出信号，并处理输出信号以产生数字值Rt(m,n)，如在这以前所述的。由于由多个TX电极引起的激发，所接收的输出信号的数字值是在位于传感器阵列的第N行和第M列处的传感器元件处的未知互电容的卷积表示。处理设备将所产生的数字值存储在输出信号矩阵Rt中的相应条目(例如(m,n))处，并继续进行操作716。在操作716中，处理设备使当前行变量(例如“m”)递增以指示在激发矩阵Et中的下一行(例如以指示用于驱动多个TX电极的下一时隙)。在操作718中，处理设备检查递增的当前行变量是否小于或等于在激发矩阵Et中的行的数量M。如果递增的当前行变量小于或等于M，则处理设备确定一些更多的TX电极仍将需要被驱动，以在当前RX电极上引起输出信号，，所以处理设备继续对在激发矩阵Et中的下一行重复操作712、714、716和718。如果在操作718中处理设备确定递增的当前行变量大于在激发矩阵Et中的行的数量M，则处理设备确定所有TX电极在当前RX电极上被驱动和感测，所以处理设备继续进行操作720。

在操作720中，处理设备使当前电极变量(例如“n”)递增以指示将被感测的下一RX电极。在操作722中，处理设备检查递增的当前电极变量是否小于或等于在电容指纹传感器矩阵中的RX电极的数量M。如果递增的当前电极变量小于或等于N，则处理设备确定一些更多的RX电极将需要被感测，所以处理设备继续对下一RX电极重复操作708、710、712、714、716、718、720和722。如果在操作722中处理设备确定递增的当前电极变量大于RX电极的数量N，则处理设备确定所有RX电极的扫描已经完成以及输出信号矩阵Rt的所有数字值已经被产生。处理设备然后继续进行操作724以结束扫描操作的当前扫描循环并继续进行扫描操作的其它操作(如果有的话)。

在图7B中的操作可由处理设备的去卷积引擎执行。在图7B中，在操作730开始时，激发矩阵Et和输出信号矩阵Rt已根据图7A的方法来产生，并存储在易失性和非易失性存储器中。在操作730中，处理设备通过访问激发矩阵Et来开始去卷积过程。在操作732中，处理设备计算激发矩阵Et的行列式并检查所计算的行列式是否等于零，例如是否det(Et)＝0。

如果在操作732中处理设备确定激发矩阵Et的行列式是非零值，例如det(Et)≠0，则处理设备继续进行操作734和736。在操作734中，处理设备计算激发矩阵Et的逆矩阵iEt。在操作736中，处理设备通过将逆矩阵iEt乘到输出信号矩阵Rt来计算恢复的图像矩阵Yt，例如Yt＝iEt*Rt。恢复的图像矩阵Yt存储在易失性或非易失性存储器中并表示由在电容传感器阵列上的扫描操作检测的指纹图像。在下文中，处理设备可以可选地继续进行操作746。

如果在操作732中处理设备确定激发矩阵Et的行列式为零，例如det(Et)＝0，则处理设备确定激发矩阵Et是奇异的并继续进行操作738、740、742和744以使用一组简化线性方程来恢复在输出信号矩阵Rt中表示的指纹图像。在操作738中，处理设备将激发矩阵Et减少一行和一列(例如通过从矩阵移除一行和一列)，并计算简化的激发矩阵Et的逆矩阵iEt。在操作740中，处理设备将输出信号矩阵Rt减少一行(例如通过从矩阵移除一行)。在操作742中，处理设备通过将所计算的逆矩阵iEt乘到简化输出信号矩阵Rt来计算减少一行的矩阵Yt，例如Yt＝iEt*Rt。在操作744中，处理设备通过将一行恒定值(例如一行零)连接到减少一行的矩阵Yt来计算恢复的图像矩阵Yt，例如Yt＝(Yt concat ConstRow)。恢复的图像矩阵Yt存储在易失性或非易失性存储器中并表示由在电容传感器阵列上的扫描操作检测的指纹图像。在下文中，处理设备可以可选地继续进行操作746。

在操作746中，处理设备对恢复的图像矩阵Yt进行转置，例如，Yt＝Yt′，并将它存储在易失性或非易失性存储器中。在转置操作之后，矩阵Yt′在维度上等于矩阵X并表示由在电容传感器阵列上的扫描操作检测的指纹图像。

在一些实施方式中，处理设备可以可选地执行操作748以通过恢复TX电极处的对比度信息来提高指纹图像质量。例如在操作748中，处理设备可在恢复的图像矩阵Yt′上使用后处理方法用于基线补偿(例如，如在下文关于图17所述的)。在操作750中，处理设备结束去卷积并可以继续进行其它指纹图像处理操作。

组合的多相RX-TX扫描的例子

根据本文所述的技术，一些实施方式可在电容指纹传感器阵列上使用组合的多相RX-TX。在组合的多相RX-TX扫描中，多个TX电极被同时驱动，且所引起的输出信号同时在多个RX电极上被检测到(接收)。组合的多相RX-TX扫描使用RX激发矩阵Er和TX激发矩阵Et。当分别基于来自零和激发矢量例如Er_Vect和Et_Vect的环形旋转产生Er和Et激发矩阵时，在全差分多相模式中执行在传感器矩阵上的扫描操作。

图8A是示出根据示例实施方式的用于多相RX-TX扫描的激发(卷积)的示例方法的流程图。图8B是示出根据示例实施方式的用于多相RX-TX扫描的去卷积的示例方法的流程图。在图8A和8B中的方法的操作被描述为由处理设备或其部件(例如在图2A/2B中的处理设备200或它的TX复用器212、RX复用器213和去卷积引擎236)执行。然而注意，各种实现和实施方式可使用各种和可能多个部件来执行在图8A和8B中的方法的操作。例如在各种实施方式中，处理设备可配置有固件指令，其当由一个或多个处理器或其它硬件部件(例如微控制器、ASIC等)执行时可操作来执行图8A和8B中的方法的操作。在另一例子中，在各种实施方式中，处理设备可在单个IC部件中实现，或它的功能可在可执行一些额外的操作和功能的两个或更多IC部件当中扩展。此外，在一些实施方式中，在图8A和8B中的方法可由处理设备执行来重建数字计数的矩阵(例如热图)，其表示由传导对象(例如手写笔或手指)在电容触摸传感器阵列上的接触。因此，如由处理设备执行的和/或用于指纹图像重建的在图8A和8B中的方法的下文中的描述应在例证性而不是限制性意义上被看待。

参考图8A，在操作800中，处理设备开始在具有N个RX电极和M个TX电极的电容指纹传感器阵列上的多相RX-TX扫描操作的激发(卷积)。在操作802中，处理设备初始化(或以其他方式定义)RX激发矩阵Er和TX激发矩阵Et，并将激发矩阵存储在易失性或非易失性存储器中。例如，根据本文所述的方法，处理设备可基于零和激发矢量Er_Vect的环形旋转来产生激发矩阵Er并基于零和激发矢量Et_Vect的环形旋转来产生激发矩阵Et。在操作804中，处理设备将当前m行变量(例如“m”)初始化到1，当前m行变量表示当前时隙，在该时隙期间，多个TX电极根据激发矩阵Et的当前(例如“第m”)行被驱动。

在操作806中，处理设备根据激发矩阵Et的当前(例如“第m”)行将多个TX电极耦合到TX驱动器。例如，处理设备可根据由在激发矩阵Et的当前行中的数据元素定义的控制信号来配置TX复用器。当在全差分多相模式中执行扫描操作时，在激发矩阵Et的当前行中，+1数据元素的数量匹配-1数据元素的数量。在这样的情况下，TX复用器将多个TX电极耦合到正TX驱动信号(例如TX时钟信号)，将相同数量的TX电极耦合到负TX驱动信号(例如反相TX时钟信号)，并将任何其余的TX电极耦合到系统地。在操作808中，处理设备将当前n行变量(例如“n”)初始化到1，当前n行变量表示当前时隙，在该时隙期间，多个RX电极根据激发矩阵Er的当前(例如“第n”)行被感测。

在操作810中，处理设备根据激发矩阵Er的当前(例如“第n”)行将多个RX电极连接到处理设备的差分接收器。例如，处理设备可根据由在激发矩阵Er的当前行中的数据元素定义的控制信号来配置RX复用器。当在全差分多相模式中执行扫描操作时，在激发矩阵Er的当前行中，+1数据元素的数量匹配-1数据元素的数量。在这样的情况下，RX复用器将多个RX电极耦合到差分接收器的非反相输入，切换相同数量的RX电极的极性并将相同数量的RX电极耦合到差分接收器的反相输入，并将任何其余的RX电极耦合到系统地。

在操作812中，处理设备中的差分接收器接收输出信号，并处理输出信号以产生数字值Rr(n,m)，如在这以前所述的。所接收的输出信号的数字值是在位于传感器阵列的第N行和第M列处的传感器元件处的未知互电容的卷积表示。处理设备将所产生的数字值存储在输出信号矩阵Rr中的相应条目(例如(n,m))处，并继续进行操作814。在操作814中，处理设备使当前n行变量(例如“n”)递增以指示在激发矩阵Er中的下一行(例如以指示用于基于当前驱动的多个TX电极来感测多个RX电极的下一时隙)。在操作816中，处理设备检查递增的当前n行变量是否小于或等于在激发矩阵Er中的行的数量N。如果递增的当前n行变量小于或等于N，则处理设备确定更多的多个RX电极将需要基于当前驱动的TX电极被扫描，所以处理设备继续对在激发矩阵Er中的下一行重复操作810、812、814和816。如果在操作816中处理设备确定递增的当前n行变量大于在激发矩阵Er中的行的数量N，则处理设备确定它基于当前驱动的TX电极扫描了所有的多个RX电极，所以处理设备继续进行操作818。

在操作818中，处理设备使当前m电极变量(例如“m”)递增以指示在激发矩阵Et中的下一行(例如以指示用于驱动多个TX电极的下一时隙)。在操作820中，处理设备检查递增的当前m电极变量是否小于或等于在激发矩阵Et中的行的数量M。如果递增的当前m电极变量小于或等于M，则处理设备确定更多的多个TX电极仍然需要被驱动，所以处理设备继续对在激发矩阵Et中的下一行重复操作806、808、810、812、814、816、818和820。如果在操作820中处理设备确定递增的当前m电极变量大于在激发矩阵Et中的行的数量M，则处理设备确定所有多个TX电极的驱动已经完成，且输出信号矩阵Rr的所有数字值已经产生。处理设备然后继续进行操作822以结束扫描操作的当前扫描循环并继续进行扫描操作的其它操作(如果有的话)。

在图8B中的操作可由处理设备的去卷积引擎执行。在操作830开始时，激发矩阵Er、激发矩阵Et和输出信号矩阵Rt已经根据图8A的方法来产生，并存储在易失性和非易失性存储器中。在操作830中，处理设备通过访问激发矩阵Er来开始去卷积过程。在操作832中，处理设备计算激发矩阵Er的行列式并检查所计算的行列式是否等于零，例如是否det(Er)＝0。

如果在操作832中处理设备确定激发矩阵Er的行列式是非零值，例如det(Er)≠0，则处理设备继续进行操作834和836。在操作834中，处理设备计算激发矩阵Er的逆矩阵iEr。在操作836中，处理设备通过将逆矩阵iEr乘到输出信号矩阵Rr来计算恢复的图像矩阵Yr，例如Yr＝iEr*Rr。恢复的图像矩阵Yr存储在易失性或非易失性存储器中并表示由在电容传感器阵列上的扫描操作检测的指纹图像。在下文中，处理设备可以可选地继续进行操作846。

如果在操作832中处理设备确定激发矩阵Er的行列式为零，例如det(Er)＝0，则处理设备确定激发矩阵Er是奇异的并继续进行操作838、840、842和844以使用一组简化线性方程。在操作838中，处理设备将激发矩阵Er减少一行和一列(例如通过从矩阵移除一行和一列)，并计算简化的激发矩阵Er的逆矩阵iEr。在操作840中，处理设备将输出信号矩阵Rr减少一行(例如通过从矩阵移除一行)。在操作842中，处理设备通过将所计算的逆矩阵iEr乘到简化输出信号矩阵Rr来计算减少一行的矩阵Yr，例如Yr＝iEr*Rr。在操作844中，处理设备通过将一行恒定值(例如一行零)连接到减少一行的矩阵Yr来计算恢复的图像矩阵Yr，例如Yr＝(Yr concat ConstRow)。恢复的图像矩阵Yt存储在易失性或非易失性存储器中。在下文中，处理设备继续进行操作846。

在操作846中，处理设备通过对恢复的图像矩阵Yr进行转置来产生输出信号矩阵Rt，例如，并Yt＝Yr′，并将所产生的Rt矩阵存储在易失性或非易失性存储器中。在操作846结束时，在Rt矩阵中的数字值相对于基于RX激发矩阵Er执行的卷积已经被去卷积，但由于基于TX激发矩阵Et执行的卷积，这些数字值仍然是被卷积的。

因此，处理设备通过访问激发矩阵Et来继续去卷积过程。在操作848中，处理设备计算激发矩阵Et的行列式并检查所计算的行列式是否等于零，例如是否det(Et)＝0。

如果在操作848中处理设备确定激发矩阵Et的行列式是非零值，例如det(Et)≠0，则处理设备继续进行操作850和852。在操作850中，处理设备计算激发矩阵Et的逆矩阵iEt。在操作852中，处理设备通过将逆矩阵iEt乘到输出信号矩阵Rt来计算恢复的图像矩阵Yt，例如Yt＝iEt*Rt。恢复的图像矩阵Yt存储在易失性或非易失性存储器中。在下文中，处理设备可以可选地继续进行操作862和/或864，或可在操作866结束去卷积。

如果在操作848中处理设备确定激发矩阵Et的行列式为零，例如det(Et)＝0，则处理设备确定激发矩阵Et是奇异的并继续进行操作854、856、858和860以使用一组简化线性方程来恢复在输出信号矩阵Rt中表示的指纹图像。在操作854中，处理设备将激发矩阵Et减少一行和一列(例如通过从矩阵移除一行和一列)，并计算简化的激发矩阵Et的逆矩阵iEt。在操作856中，处理设备将输出信号矩阵Rt减少一行(例如通过从矩阵移除一行)。在操作858中，处理设备通过将所计算的逆矩阵iEt乘到简化输出信号矩阵Rt来计算减少一行的矩阵Yt，例如Yt＝iEt*Rt。在操作860中，处理设备通过将一行恒定值(例如一行零)连接到减少一行的矩阵Yt来计算恢复的图像矩阵Yt，例如Yt＝(Yt concat ConstRow)。恢复的图像矩阵Yt存储在易失性或非易失性存储器中并表示在电容传感器阵列处检测/感测的指纹图像。在下文中，处理设备可以可选地继续进行操作862和/或864，或可在操作866结束去卷积。

在一些实施方式中，处理设备可以可选地执行操作862和/或864以通过恢复RX电极和/或TX电极处的对比度信息来提高指纹图像质量。例如在操作862中，处理设备可在恢复的图像矩阵Yr上使用后处理方法用于在RX电极上的基线补偿(例如，如在下文关于图17所述的)。在另一例子中，在操作864中，处理设备可在恢复的图像矩阵Yr(其可以或可以不是按照操作862进行基线补偿的)上使用后处理方法用于在TX电极上的基线补偿(例如，如在下文关于图17所述的)。在操作866中，处理设备结束去卷积并可以继续进行其它指纹图像处理操作。

具有非零和激发的多相扫描的例子

根据本文所述的技术，一些实施方式可使用具有非零和激发序列的多相扫描来实现与使用全差分多相扫描的实施方式可比较的结果。至少一些非零和多相序列在触摸应用中用于为在电容触摸传感器阵列上的扫描操作提供更好的噪声抑制。因此，本文所述的技术的一些实施方式可用利用经测试的非零和激发序列以得到与零和激发序列类似的性能益处(例如从MPRX扫描的常见噪声抑制和MPTX扫描的通道动态范围方面来说)。此外，使用非零和序列形成的激发矩阵不是奇异的，且因此使用这样的非零和激发矩阵的实施方式需要较简单的去卷积处理。

根据本文所述的技术，非零和多相序列可借助于下列项被成功地使用：

1.在感测通道的前面的额外硬件补偿电路；以及

2.使用特殊传感器阵列设计(例如具有参考电极的设计)。

在图2A中的实施方式的感测通道中示出硬件基线补偿电路的一个例子。图9A和9B示出图2A的硬件基线补偿部件240如何响应于用户的手指(或其部分)在电容指纹传感器阵列上而增加在数字值(例如ADC计数)中的变化的有用动态范围。可通过减小到差分接收器的输入电流的非信息值并增加放大器增益以升高信号水平来实现在动态范围中的升高。

参考图9A，曲线902示出在不使用硬件基线补偿电路的情况下在电容指纹传感器阵列的RX电极上引起的输出信号的动态信号范围(～5％)。曲线904示出相应数字值(N_ADC)的动态信号范围(大约～5％)。参考图9B，曲线912示出在使用硬件基线补偿电路的情况下在电容指纹传感器阵列的RX电极上引起的输出信号的动态信号范围(～5％)。曲线914示出相应数字值(N_ADC)的动态信号范围(大约～50％)。如可在图9A和9B中看到的，硬件基线补偿电路的使用将在数字值中的变化的动态范围增加了大约10倍，例如从曲线904中的～5％到曲线914中的～50％。

图10示出在使用硬件基线补偿电路例如在图2A的实施方式中的硬件基线补偿部件240的多相扫描中使用的各种信号的操作波形。

一些实施方式可使用具有电流源而不是可变电容器(例如，如在图2A中的部件240中的)的硬件基线补偿电路来执行硬件基线补偿。图11示出使用两个平衡电流输出数模转换器(IDAC)和两个混合器来平衡差分接收器的输入信号的示例传感器系统。

在图11中的传感器系统30类似于在图2A/2B中的传感器系统20，除了基于IDAC的基线补偿部件的使用以外。参考图11，在图11中的电容指纹传感器阵列1121包括N个RX电极和M个TX电极的网格。例如，电容指纹传感器阵列1121包括布置成形成传感器元件1124的TX电极1122和RX电极1123。在传感器阵列1121中的每个TX电极通过TX复用器1112耦合到处理设备1100，且每个RX电极通过RX复用器1113耦合到处理设。TX复用器1112耦合到信号发生器(未示出)以接收TX时钟信号1114，其用于产生施加到TX电极的TX驱动信号。当施加到TX电极时，TX驱动信号在RX电极上引起输出信号。RX复用器1113配置成同时将来自多个RX电极的输出信号复用到模拟前端1102的输入。模拟前端1102被配置为差分接收器以从传感器阵列1121的电极接收(卷积的)输出信号。模拟前端1102包括带通滤波器(BPF)1103，其耦合到可变增益差分放大器(VGA)1104。VGA 1104耦合到正交调制器(未示出)，其又耦合到配置成将RX输出信号转换成数字值的通道引擎(未示出)。

处理设备1100包括硬件基线补偿电路1150，其基于存储在基线寄存器1160中的配置信息而被控制。基线补偿电路1150包括耦合到混合器1156以产生正补偿信号(例如“icomp_p”)的IDAC 1152和耦合到混合器1158以产生负补偿信号(例如“icomp_n”)的IDAC1154。(在模拟前端1102中的)BPF 1103的负输入耦合到混合器1156的输出以接收正补偿信号，且BPF 1103的正输入耦合到混合器1158的输出以接收负补偿信号。基线补偿部件1150通过产生穿过每个IDAC 1152和1154的补偿电流并通过分别使用这对混合器1156和1158使补偿电流的极性交替来操作，每BPF 1103的反相和非反相输入有一个混合器。补偿电流值可被设置为在固件中的配置，或硬件定序器可被使用。

在一些实施方式中，使用非零和MPRX激发序列、硬件基线补偿电路(例如在图2A中的部件240和在图11中的1150)可能能够只向为了这个目的而特别设计的电容传感器阵列提供常见噪声平衡。例如，电容指纹传感器阵列可具有可用于下面的目的的网格设计：a)通过平衡在差分接收器的输入上的信号进行噪声侦听，以及b)结合硬件基线补偿部件的基线补偿(移除)。在一些实施方式中，这样的特殊传感器设计可使用RX参考电极来拾取噪声而不拾取来自在电容指纹传感器阵列上的用户的手指的信号。为了说明这样的特殊设计，首先关于图12讨论零和MPRX激发序列的常规感测配置。

参考图12，处理设备1200包括通过RX复用器(未示出)耦合到电容指纹传感器阵列1221的差分接收器。电容指纹传感器阵列1221类似于在图2A/2B中的电容指纹传感器阵列221，并被配置为N个RX电极和M个TX电极的网格。在图12中，处理设备1200在全差分多相模式中执行扫描操作时使用零和RX激发序列来复用RX输出信号。在图12中示出的设计配置提供对电容指纹传感器系统的最佳共模噪声抑制，因为该配置允许差分接收器抑制在所测量的输出信号中的任何噪声。

为了实现可比较的常见噪声抑制，一些实施方式可提供依赖于参考电极的使用的特殊传感器阵列设计。图13示出具有可与非零和激发序列一起使用的参考和接地电极的示例传感器阵列设计。在图13中，处理设备1300配置成在多相模式中执行扫描操作时使用非零和RX激发序列来复用RX输出信号。处理设备1300包括通过RX复用器(未示出)耦合到电容指纹传感器阵列1321的差分接收器。电容指纹传感器阵列1321被配置为TX电极1322、RX电极1323、参考电极1326和一个或多个接地电极1328的网格。TX电极1322布置在一个(例如水平)方向上，而RX电极1323、参考电极1326和接地电极1328布置在不同的(例如垂直)方向上。参考电极1326和接地电极1328可以都布置在传感器阵列1321(例如，如在图13中所示的)的一侧上，但注意，这些电极可根据各种可选的布置来布置。额外的参考电极1326可感测手指噪声，但将手指放置在它们上并不引起任何有用的信号变化，所以当TX电极被驱动时手指放置并不导致任何输出电流。因此，参考电极1326提供三个功能：

a.参考电极以与正常RX电极对使在差分接收器输入上的噪声水平平衡完成的相同的方式捕捉任何噪声信号；

b.参考电极通过补偿在基于非零和MPRX激发序列耦合到反相和非反相差分接收器输入的RX电极的数量之间的差异来提供TX信号平衡；

c.参考电极不感测任何有用的手指信号，且因此不在系统中添加更多的未知量。

在图13中，接地电极1328配置成保护RX电极1323免受参考电极1326的影响。

在一些实施方式中，在电容指纹传感器阵列中的参考电极可以是与正常RX电极相同的尺寸和形状，但可被接地电极分离以捕捉原本可到达在传感器阵列的触摸表面上的手指的体积TX场线。这在图14中示出，图14示出具有参考电极的传感器阵列的电场线。在图14中，电容指纹传感器阵列1421布置在触摸表面1429之下。为了说明目的，图14只示出包括TX电极1422、RX电极1423a和1423b、参考电极1426a和1426b以及接地电极1428的电容指纹传感器阵列1421的一部分。在图14的实施方式中，在单独的参考电极1426a和1426b之间的距离应小于电极高度，所以来自TX电极1422的电场不到达在参考电极之上的触摸表面1429的区域中的手指(未示出)(例如没有来自TX电极1422的场线到达在参考电极之上的触摸表面1429的区域，所以没有响应信号将由在这个区域中的手指引起)。同时，为了使到在处理设备中的差分接收器的输入平衡的目的，参考电极(例如1426a、1426b)提供与正常RX电极几乎相同的TX-RX耦合。在一些实施方式中，参考电极的数量可以是可编程的以允许对具有不同和的不同非零MPRX激发序列起作用(平衡)。

使用零和激发序列的另一可选方案是提供用在非零和激发序列上的TX补偿电极的传感器阵列设计。例如在一些实施方式中，可能通过使用非零和MPTX激发序列借助于额外的补偿电极来操作完全平衡的(零和电流)TX驱动器，所述额外的补偿电极可补偿在RX电极中由于在被驱动的正和负TX电极的数量之间的不平衡而注入的电流。在TX补偿电极中注入的电流不应在手指的触摸的传感器阵列区域中改变，所以传感器阵列设计不应允许手指越过TX补偿电极的电场线。为了实现此，在一些实施方式中，TX补偿电极可被掩埋在内部传感器层中(在这是适当的地方)或可由在顶层上的接地线保护以防止由手指捕获TX电极场线。在图15中示出后一设计的例子。

图15示出适合于用在非零和TX激发序列和非零和RX激发序列上的传感器系统40。传感器系统40包括差分接收器1502、TX复用器1512、RX复用器1513和电容指纹传感器阵列1521。差分接收器1502通过RX复用器1513耦合到电容指纹传感器阵列1521。TX复用器1512耦合到电容指纹传感器阵列1521。TX复用器1512还耦合到信号发生器(未示出)以接收在多相模式中基于非零和TX激发序列施加到TX电极1522a和1522b的TX驱动信号1514。当施加到TX电极1522a和1522b时，TX驱动信号在RX电极1523上引起输出信号。RX复用器1513配置成在多相模式中基于非零和RX激发序列将来自多个RX电极的输出信号复用到差分接收器1502的输入。

电容指纹传感器阵列1521具有包括RX参考电极和TX补偿电极的设计。如图15所示，电容指纹传感器阵列1521被配置为常规TX电极1522a、TX补偿电极1522b、RX电极1523、RX参考电极1526、接地电极1528a和(四个)TX屏蔽电极1528b的网格。常规TX电极1522a和TX补偿电极1522b布置在一个(例如水平)方向上。RX电极1523、RX参考电极1526、接地电极1528a和TX屏蔽电极1528b布置在不同的(例如垂直)方向上。参考电极1526和接地电极1528a布置在传感器阵列1521的一侧上。类似于图14中的传感器阵列设计，在图15的传感器阵列设计中，在单独的RX参考电极1526之间的距离小于电极高度，以便防止在传感器阵列1521的这个区域中的手指引起的响应信号。接地电极1528a配置成保护RX电极1523免受参考电极1526的影响。TX补偿电极1522a布置在传感器阵列1521的一侧上。TX屏蔽电极1528b部分地布置到传感器阵列1521内并在TX补偿电极1522b之上。因此如图15所示，RX参考电极1526的部分、接地电极1528的一部分和TX屏蔽电极1528b布置成防止TX补偿电极1522b的电场线被在传感器阵列1521的触摸表面上的手指划过。

在图15的实施方式中的传感器阵列设计示出电容指纹传感器阵列可如何配置成用在非零和TX和RX激发序列上：

1.使用具有长度3及和1的非零MPTX激发序列借助于一个主动TX补偿电极来形成完全平衡的TX驱动器以便得到按照每个RX电极的零输入电流。这由在TX复用器1512中的连接设置示出，其中实心圆指示连接而白色圆指示没有连接。

2.使用具有长度4及和2的非零MPRX激发序列借助于2个RX参考电极来形成完全平衡的RX驱动器以便得到每一对差分RX输出信号的零输入电流。这由在RX复用器1513中的连接设置示出，其中实心圆指示连接而白色圆指示没有连接。

注意，不是在本文所述的所有图像重建方法都用于RX和TX配置而没有参考电极或补偿电极，反之亦然。下面的表1示出各种指纹的兼容性网格和允许零电流(例如全差分)组合MPRX/MPTX扫描的硬件配置的触摸重建方法。

表1.零电流组合MPRX/MPTX选项

带极性切换的感测网格激发的例子

本文所述的具有极性切换的感测网格激发技术也被称为对不匹配的接收器增益问题的解决方案。这样的问题可存在于使用耦合到在接收器通道中的差分放大器的输入的增益放大器的一些实施方式中。例如在图3的实施方式中，Gp和Gm增益放大器309a和309b连接到差分放大器304的输入。然而在真实硬件中，确切地匹配的增益放大器一般是未知的，且通常这些增益放大器的增益不是相等的，例如Gp≠-Gm。这个增益失配引起在去卷积(恢复)的图像和原始图像之间的失配问题。

下面基于多相RX扫描技术来描述这个问题的例子。当存在增益失配时，硬件扫描(卷积)以增益Gp＝1+d和Gm＝-1被执行，其中d是某个偏差。在这种情况下，激发矢量Er_Vect可被表示为在下面的方程13中示出的：

Er_Vect＝[1+d 0 … 0 –1 0 … 0] (方程13)

然而，在去卷积阶段的操作考虑Gp＝+1和Gm＝-1。作为结果，原始/所检测的图像X基于激发矢量Er_Vect＝[1+d 0 … 0 –1 0 … 0]矢量被卷积(卷绕)，并基于激发矢量Er_Vect＝[1 0 … 0 –1 0 … 0]被去卷积(去卷绕)。这将引起在所恢复的图像中的失真。

可存在对这个问题的两个解决方案：

1)用实验方法确定Gp和Gm并在去卷积阶段使用它们；

2)利用极性切换电路的反转使用差分接收器到指定RX电极的交替连接。

第一解决方案需要增益放大器的Gp和Gm系数的周期性测量和在去卷积阶段考虑这些系数。第二解决方案需要具有反转的极性的每个传感器阵列元素的双倍扫描，但总是在去卷积阶段使用Gp＝-Gm。在图16的方法中示出后一解决方案的例子。

图16示出用于在有每个传感器元件处的极性的交替的情况下多相RX扫描的激发(卷积)的示例方法(例如每个传感器元件以相反的极性被扫描两次)。在图16中的方法的操作被描述为由处理设备或其部件(例如在图2A/2B中的处理设备200或它的TX复用器212、RX复用器213和去卷积引擎236)执行。然而注意，各种实现和实施方式可使用各种和可能多个部件来执行在图16中的方法的操作。例如在各种实施方式中，处理设备可配置有固件指令，其当由一个或多个处理器或其它硬件部件(例如微控制器、ASIC等)执行时可操作来执行图16中的方法的操作。在另一例子中，在各种实施方式中，处理设备可在单个IC部件中实现，或它的功能可在可执行一些额外的操作和功能的两个或更多IC部件当中扩展。此外，在一些实施方式中，在图16中的方法可由处理设备执行来扫描由传导对象(例如手写笔或手指)在电容触摸传感器阵列上的接触。因此，如由处理设备执行的和/或用于指纹图像重建的在图16中的方法的下文中的描述应在例证性而不是限制性意义上被看待。

参考图16，在操作1600中，处理设备开始在具有N个RX电极和M个TX电极的电容指纹传感器阵列上的多相RX扫描操作的激发(卷积)。在操作1602中，处理设备初始化(或以其他方式定义)RX激发矩阵Er，并将激发矩阵存储在易失性或非易失性存储器中。例如，根据本文所述的技术，处理设备可基于零和激发矢量Er_Vect的环形旋转来产生激发矩阵Er。在操作1604中，处理设备将当前电极变量(例如“m”)初始化到1，当前电极变量指示由处理设备驱动的当前TX电极作为扫描操作的部分。

在操作1606中，处理设备将当前(例如“第m个”)TX电极耦合到TX驱动器，而其它TX电极耦合到系统地(例如另一参考信号)。例如，处理设备可配置TX复用器以将当前(例如“第m个”)TX电极连接到TX驱动器，同时将TX电极的其余部分连接到系统地。在操作1608中，处理设备将当前行变量(例如“n”)初始化到1，当前行变量表示当前时隙，在该时隙期间，多个RX电极根据激发矩阵Er的当前(例如“第n”)行被感测。

在操作1610中，处理设备根据激发矩阵Er的当前(例如“第n”)行将多个RX电极连接到处理设备的差分接收器。例如，处理设备可根据由在激发矩阵Er的当前行中的数据元素定义的控制信号来配置RX复用器。RX复用器将多个RX电极耦合到差分接收器的非反相输入，切换相同数量的RX电极的极性并将相同数量的RX电极耦合到差分接收器的反相输入，并将任何其余的RX电极耦合到系统地(或另一参考信号)。在操作1612中，处理设备中的差分接收器接收输出信号，并处理输出信号以产生数字值Rr(n,m)。所接收的输出信号的数字值是在位于传感器阵列的第N行和第M列处的传感器元件处的未知互电容的卷积表示。处理设备将所产生的数字值存储在输出信号矩阵Rr中的相应条目(例如(n,m))处，并继续进行操作1614。

在操作1614中，处理设备在操作1610和1612上被扫描的相同RX电极上执行另一扫描，但以切换的极性。例如在操作1614中，处理设备根据乘以-1(这反转RX电极连接的极性)的激发矩阵Er的当前(例如“第n”)行将(如在操作1610中的)相同的多个RX电极连接到差分接收器。在操作1616中，处理设备中的差分接收器接收输出信号，并处理输出信号以重新计算在传感器阵列的第N行和第M列处的传感器元件的数字值。然后通过从所存储的数字值(其在操作1612中被计算)减去重新计算的数字值并接着将结果除以2来产生传感器元件的新数字值，例如新传感器元件的新数字值是传感器元件的未知互电容的卷积表示，但它被校正以消除由表示增益放大器的失配的偏差d引起的失真。处理设备将新数字值存储在输出信号矩阵Rr中的相应条目(例如(n,m))处，并继续进行操作1618。

在操作1618中，处理设备使当前行变量(例如“n”)递增以指示在激发矩阵Er中的下一行(例如以指示用于基于当前TX电极来感测RX电极的下一时隙)。在操作1620中，处理设备检查递增的当前行变量是否小于或等于在激发矩阵Er中的行的数量N。如果递增的当前行变量小于或等于N，则处理设备确定一些更多的RX电极仍然需要基于当前TX电极被扫描，所以处理设备继续对在激发矩阵Er中的下一行重复操作1610、1612、1614、1616、1618和1620。如果在操作1620中处理设备确定递增的当前行变量大于在激发矩阵Er中的行的数量N，则处理设备确定它基于当前TX电极扫描了所有的RX电极，所以处理设备继续进行操作1622。

在操作1622中，处理设备使当前电极变量(例如“m”)递增以指示将耦合到TX驱动器并被激励用于扫描的下一TX电极。在操作1624中，处理设备检查递增的当前电极变量是否小于或等于在电容指纹传感器矩阵中的TX电极的数量M。如果递增的当前电极变量小于或等于M，则处理设备确定一些更多的TX电极仍然需要被驱动，所以处理设备继续对下一TX电极重复操作1606、1608、1610、1612、1614、1616、1618、1620、1622和1624。如果在操作1624中处理设备确定递增的当前电极变量大于TX电极的数量M，则处理设备确定所有TX电极的扫描完成以及输出信号矩阵Rr的所有数字值产生。处理设备然后继续进行操作1626以结束扫描操作的当前扫描循环并继续进行其它操作。在以这种方式产生输出信号矩阵Rr之后，矩阵可被去卷积以通过使用图6B中的方法来产生指纹图像。

图19示出不匹配的增益(例如Gp≠-Gm)对所产生的指纹图像的质量的影响。在图19中，图像1902示出被扫描的原始指纹。图像1904示出以Gp＝1.1和Gm＝-1被卷积的指纹图像(例如增益Gp偏离d＝10％)。如果在去卷积阶段的操作通过考虑接收器增益被平衡(例如Gp＝-Gm)来产生图像，则失真的图像如在图像1906中所示的被得到。但如果在卷积阶段的操作中(例如根据图16中的方法)使用极性切换，则所产生的指纹图像的图像质量明显增加，如由图像1908所示的。

图16的方法提供不匹配的放大器增益的补偿，因为每个传感器元件以极性切换被扫描两次。因此，在去卷积阶段的操作可考虑待匹配的增益，例如Gp＝-Gm，而没有图像质量失真。注意，在图16中的方法的使用避免对在去卷积阶段的增益的调谐的需要。

利用基线补偿的后处理质量提高

一些实施方式通过在后处理操作期间使用基线补偿(在固件或软件中)来实现图像质量提高。后处理操作指在根据本文所述的技术指纹图像被产生或以其他方式由处理设备获取之后执行的操作。

在一些实施方式中，基于零和激发矢量执行激发(卷积)和去卷积可引起基线信息的失去，并可使所获取的图像失真。在这样的实施方式中，只有通过指定的RX或TX电极的对比度可被恢复。为了处理这些问题，本文所述的技术提供如在图17中所示的部分基线恢复过程。注意，图17的方法并不提供与在原始图像中的确切地相同的基线值，但它恢复与在原始图像中的大约相同的基线值，从而提供对所恢复的图像的质量的明显提高。

图17示出后处理基线补偿的示例方法。图17中的方法的操作被描述为由处理设备执行。然而注意，各种实现和实施方式可使用各种和可能多个部件来执行在图17中的方法的操作。例如在各种实施方式中，处理设备可配置有固件指令，其当由一个或多个处理器或其它硬件部件(例如微控制器、ASIC等)执行时可操作来执行图17中的方法的操作。在另一例子中，在各种实施方式中，处理设备可在单个IC部件中实现，或它的功能可在可执行一些额外的操作和功能的两个或更多IC部件当中扩展。此外，在一些实施方式中，在图17中的方法可由处理设备执行来处理来自电容触摸传感器阵列的结果。因此，如由处理设备执行的和/或用于指纹图像的在图17中的方法的下文中的描述应在例证性而不是限制性意义上被看待。

在操作1700开始之前，已根据本文所述的技术产生指纹图像。例如，处理设备产生并存储(例如在易失性或非易失性存储器中)恢复的图像矩阵Y。恢复的图像矩阵Y表示由处理设备从具有N个RX电极和M个TX电极的电容指纹传感器阵列获取的指纹图像。因此，恢复的图像矩阵Y具有N行和M列，其中的数据元素表示在传感器阵列的RX电极和TX电极的交叉点处形成的传感器元件的所测量的互电容。

参考图17，在操作1700中，处理设备开始基线补偿过程。在操作1702中，处理器将指示图像矩阵Y的当前行的当前行变量(例如“n”)初始化到1。

在操作1704中，处理设备访问由如当前行变量“n”所指示的在图像矩阵Y的当前行中的数据元素形成的矢量(例如“y”)。在操作1706中，处理设备以降序将矢量“y”的数据元素排序以得到排序的矢量“S”。在操作1708中，处理设备从排序的矢量“S”的左端移除数据元素的10％，并且也从排序的矢量“S”的右端移除数据元素的10％，以得到简化的矢量“S”。以这种方式，从计算这个矢量“y”的补偿值的随后操作移除在矢量“y”中的数据元素的10％的最高值和10％的最低值。在操作1710中，从在简化的矢量“S”中的数据元素计算平均值(例如“S_AVG”)，例如，在简化矢量中的数据元素被合计且和除以数据元素的数量以得到平均值“S_AVG”。所计算的平均值“S_AVG”表示矢量“y”的补偿值。在操作1712中，从矢量“y”的每个数据元素减去平均值“S_AVG”以得到经补偿的矢量“y”。在操作1714中，在图像矩阵Y中的当前(例如“第n”)行用经补偿的矢量“y”的数据元素代替。

在操作1716中，处理设备使当前行变量(例如“n”)递增以指示在恢复的图像矩阵Y中的下一行。在操作1718中，处理设备检查递增的当前行变量是否小于或等于在图像矩阵Y中的行的数量N。如果递增的当前行变量小于或等于N，则处理设备确定来自矩阵的Y的一些更多的行需要被处理，所以处理设备继续对在矩阵Y中的下一行重复操作1704、1706、1708、1710、1712、1714、1716和1718。如果在操作1718中处理设备确定递增的当前行变量大于在矩阵Y中的行的数量N，则处理设备确定它处理了矩阵Y的所有行并继续进行操作1720。

在操作1720中，处理器将指示图像矩阵Y的当前行的当前列变量(例如“m”)初始化到1。

在操作1722中，处理设备访问由如当前列变量“m”所指示的在图像矩阵Y的当前列中的数据元素形成的矢量(例如“y”)。在操作1724中，处理设备以降序将矢量“y”的数据元素排序以得到排序的矢量“S”。在操作1726中，处理设备从排序的矢量“S”的左端移除(减少)数据元素的10％，并且也从排序的矢量“S”的右端移除数据元素的10％，以得到简化的矢量“S”。以这种方式，从计算这个矢量“y”的补偿值的随后操作移除在矢量“y”中的数据元素的10％的最高值和10％的最低值。在操作1728中，从在简化的矢量“S”中的数据元素计算平均值(例如“S_AVG”)，例如，在简化矢量中的数据元素被合计且和除以数据元素的数量以得到平均值“S_AVG”。所计算的平均值“S_AVG”表示矢量“y”的补偿值。在操作1730中，从矢量“y”的每个数据元素减去平均值“S_AVG”以得到经补偿的矢量“y”。在操作1732中，在图像矩阵Y中的当前(例如“第m”)列用补偿的矢量“y”的数据元素代替。

在操作1734中，处理设备使当前列变量(例如“m”)递增以指示在恢复的图像矩阵Y中的下一列。在操作1736中，处理设备检查递增的当前列变量是否小于或等于在图像矩阵Y中的列的数量M。如果递增的当前列变量小于或等于M，则处理设备确定来自矩阵的Y的一些更多的列需要被处理，所以处理设备继续对在矩阵Y中的下一列重复操作1722、1724、1726、1728、1730、1732、1734和1736。如果在操作1736中处理设备确定递增的当前列变量大于在矩阵Y中的行的数量M，则处理设备确定它处理了矩阵Y的所有列。处理设备然后继续进行操作1738以结束基线补偿过程并继续进行其它后处理操作(如果有的话)。在基线补偿过程结束时，在恢复的图像矩阵Y中的数字值包括与在电容指纹传感器阵列的扫描中失去的基线值大约相同的基线值。以这种方式，所恢复的图像的质量被提高。

图18示出图17的后处理基线补偿方法对所产生的指纹图像的质量的影响。在图18中，图像1802示出被扫描的原始指纹。图像1804示出通过使用多相RX扫描产生的卷积图像。图像1806是在没有后处理基线补偿被应用的情况下的去卷积图像1804。如可看到的，图像1806具有可见伪像。图像1808是已应用了后处理基线补偿的去卷积图像1804。如可在图像1808中看到的，后处理基线补偿过程移除了不希望有的图像伪像。

使用伪随机序列的图像重建的例子

根据本文所述的技术，一些实施方式可结合基于伪随机激发序列的指纹图像重建来使用多相(RX或TX)扫描。注意，这些实施方式不需要对一组完全或简化的线性方程组求解。

例如，在使用多相RX扫描的一些实施方式中，可以不基于如在这之前所述的用户设计的零和激发矢量(例如Er_Vect)而是基于通过将自相关函数应用于具有+1和-1的数据元素的伪随机序列来产生的激发矢量来产生RX激发矩阵。在这些实施方式中，RX电极根据RX激发矩阵而被复用到处理设备的差分接收器，从而产生具有卷积数字值的输出信号矩阵。然后基于卷积输出信号矩阵与激发矩阵的转置矩阵的乘积来产生表示检测/感测到的指纹图像的恢复的图像矩阵，从而有效地将存储在卷积输出信号矩阵中的数字值去卷积。在使用多相TX扫描的实施方式中，可基于伪随机序列和自相关函数以相似的方式产生TX激发矩阵，并可以用相似的方式使用TX激发矩阵以产生表示指纹图像的恢复的图像矩阵。

在一些实施方式中，RX或TX激发矩阵的激发矢量可基于具有接近于δ函数的自相关函数(ACF)的伪随机产生的序列。通过将卷积输出信号矩阵乘到RX或TX激发矩阵的转置矩阵来将所检测/感测的指纹图像去卷积。例如，可通过将自相关函数应用于给定长度N的伪随机序列来产生RX激发矢量，给定长度N相应于在电容指纹传感器阵列中的RX电极的数量。以这种方式得到的激发矩阵可环形旋转(如在这之前所述的)，以便产生RX激发矩阵。这个伪随机序列环形旋转矩阵在它的转置矩阵上的乘积是相同的最大值只位于对角线上的矩阵。换句话说，这样的激发矩阵可用于去卷积和指纹图像重建，因为它的特性接近于Hadamard矩阵的特性，例如，如由H·H^T＝nI定义的。

如在本文所述的基于伪随机序列产生的激发矢量的使用以与依赖于对一组完全或简化的线性方程组求解的本文所述的技术可比较的准确度提供图像重建。例如，如果M序列具有2^N-1的重复长度且值为+1的数据元素的数量超过值为-1的数据元素的数量1，它们的和总是等于1。因为自相关函数(ACF)带有具有不大于的振幅的侧峰值，当序列长度增加时函数值减小(这对于一般具有一百或更多传感器元件的电容指纹传感器阵列是非常有用的特征)。这在图20中示出，图20示出具有长度127的伪随机M序列的ACF的曲线2000。

使用伪随机序列和自相关函数来产生激发矩阵的一些实施方式可实现与本文所述的其它技术可比较的指纹图像重建结果，但以较低的成本。例如，这样的实施方式一般使用只乘以±1的因子的矩阵乘法操作。因此，这些实施方式可使用不使用硬件乘法元件或电路的较低成本去卷积引擎。这在图21中示出，图21示出通过使用基于具有127的长度的伪随机M序列的MPRX扫描进行的图像重建。如可在图21中看到的，原始图像2102在质量和准确度上是与去卷积图像2106(带有也为了例证目的提供的卷积图像2104)可比较的。

后处理操作和提高的例子

可基于根据本文所述的技术产生的指纹图像来执行各种后处理行动和操作。在一些实施方式中，处理设备或(例如在计算机系统上运行的)主机应用可使用指纹图像来认证用户。例如，处理设备或主机应用可通过使用各种指纹匹配算法例如基于图案的算法(其比较基本指纹图案例如弓、斗和箕)、基于细节的算法(其比较由指纹脊图案中的奇点确定的被称为细节的较低级特征)等来比较指纹图像与在指纹数据库中的图像。

本文所述的用于在指纹和触摸应用中的多相扫描的技术的各种实施方式当与常规技术比较时提供一些下面的提高：

·共模噪声的噪声免疫提高(由于通过在各种实施方式中使用的差分接收器的噪声抑制)；

·由于多相驱动/感测技术的使用而引起的非共模噪声减少，导致在信噪比(SNR)方面的更好的指纹图像；

·由于差分接收器的感测电路的较大动态范围而引起的非共模噪声免疫提高；

·较低的由于基线补偿电路的缺乏而引起的内部噪声，其可产生额外的噪声(例如在不使用硬件元件来执行基线补偿的实施方式中)；

·由于更好的SNR而引起的所获取的指纹图像的提高的质量；

·由于在RX输出信号中的基线电容分量的缺乏而导致的在转换电路中的较低量化噪声而引起的指纹图像的提高的质量；

·由于所获取的指纹图像的更好质量而引起的提高的伪接受率(FAR)/伪拒绝率(FRR)；

·由于使用用于只将具有足够好的SNR的信号存档的多相扫描技术而引起的减小的扫描时间和功率消耗；

·实现将电容指纹扫描用于导航传感器，其中用于产生指纹图像的短转换时间允许扫描被快得多得执行并覆盖较大的传感器阵列区域，这又通过相关技术或在指纹图像后处理上应用的其它方法导致提高的运动检测(例如移位)(通常，导航传感器指将运动转换成移位的传感器，例如将手指的运动转换成在触摸屏上的特定位置处的移位，将鼠标的运动转换到在计算机屏幕上的指针位置，等等)。

本文所述的用于指纹和触摸传感器阵列的多相扫描的技术的各种实施方式可包括各种操作。这些操作可由硬件部件、软件、固件或其组合执行。如在本文使用的，术语“耦合到”可意味着直接或通过一个或多个中间部件间接耦合。通过本文所述的在各种总线上提供的任何信号可以与其它信号时间复用并通过一个或多个公共总线被提供。此外，在电路部件或块之间的互连可被示为总线或单信号线。每个总线可以可选地是一个或多个单信号线，且每个单信号线可以可选地是总线。

某些实施方式可被实现为可包括存储在非临时计算机可读介质例如易失性和/或非易失性存储器上的指令的计算机程序产品。这些指令可用于对包括一个或多个通用或专用处理器(例如CPU)或其等效形式(例如处理核心、处理引擎、微控制器等)的一个或多个设备编程，使得当由处理器或其等效形式执行时，指令使设备执行用于本文所述的多相扫描的所述操作。计算机可读介质还可包括用于存储或传输以机器(例如设备或计算机)可读的形式(例如软件、处理应用等)的信息。非临时计算机可读存储介质可包括但不限于电磁存储介质(例如软盘、硬盘等)、光学存储介质(例如CD-ROM)、磁光存储介质、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、可擦除可编程存储器(例如EPROM和EEPROM)、闪存或适合于存储信息的另一现在已知或以后发展的非临时类型的介质。

虽然以特定的顺序示出和描述了本文的方法的操作，在一些实施方式中，每个方法的操作的顺序可改变，使得某些操作可以按相反的顺序被执行，或使得某个操作可至少部分地同时和/或并行地与其它操作一起被执行。在其它实施方式中，指令或不同操作的子操作可以呈间歇和/或交替的方式。

在前述说明书中，参考其中的特定示例实施方式描述了本发明。然而将明显，可对其做出各种修改和变化而不偏离如在所附权利要求中阐述的本发明的更宽的精神和范围。说明书和附图相应地在例证性意义而不是限制性意义上被看待。

Claims (20)

1.一种扫描方法，包括：

处理设备接收表示在电容指纹传感器阵列上的手指的一部分的多个测量结果；

其中所述多个测量结果从被在全差分多相模式中扫描的所述电容指纹传感器阵列的传感器元件得到；

所述处理设备基于所述多个测量结果产生所述手指的所述一部分的指纹图像。

2.如权利要求1所述的扫描方法，其中所述多个测量结果表示从所述电容指纹传感器阵列的所述传感器元件测量的互电容。

3.如权利要求1所述的扫描方法，其中所述指纹图像是以数字格式视觉地表示所述手指的所述一部分的指纹的一组数据值。

4.如权利要求1所述的扫描方法，其中产生所述指纹图像包括所述处理设备产生激发矩阵和输出信号矩阵，所述激发矩阵表示应用来复用所述传感器元件的多个电极的控制信号的极性，而所述输出信号矩阵表示所述多个测量结果。

5.如权利要求1所述的扫描方法，其中所述电容指纹传感器阵列的所述传感器元件包括发射TX电极，且其中所述处理设备产生所述指纹图像包括：

产生TX激发矩阵并将所述TX激发矩阵减少一行和一列；

基于所述多个测量结果产生输出信号矩阵并将所述输出信号矩阵减少一行；

通过将一行常数连接到所述输出信号矩阵和所述TX激发矩阵的逆矩阵的乘积来产生表示所述指纹图像的恢复的图像矩阵。

6.如权利要求5所述的扫描方 法，其中所述TX激发矩阵包括零和激发矢量，以及所述方法还包括所述处理设备的定序器根据所述TX激发矩阵来驱动所述TX电极。

7.如权利要求1所述的扫描方法，其中所述电容指纹传感器阵列的所述传感器元件包括接收RX电极，且所述方法还包括：

产生包括零和激发矢量的RX激发矩阵；以及

根据所述RX激发矩阵将所述RX电极复用到所述处理设备的一个或多个差分接收器；

其中所述处理设备产生所述指纹图像包括：

将所述RX激发矩阵减少一行和一列；

基于所述多个测量结果产生输出信号矩阵并将所述输出信号矩阵减少一行；

通过将一行常数连接到所述输出信号矩阵和所述RX激发矩阵的逆矩阵的乘积来产生表示所述指纹图像的恢复的图像矩阵。

8.如权利要求1所述的扫描方法，其中所述电容指纹传感器阵列的所述传感器元件包括发射TX电极和接收RX电极，且其中所述处理设备产生所述指纹图像包括：

产生RX激发矩阵并将所述RX激发矩阵减少一行和一列；

基于所述多个测量结果产生第一输出信号矩阵并将所述第一输出信号矩阵减少一行；

通过将一行常数连接到所述第一输出信号矩阵和所述RX激发矩阵的逆矩阵的乘积来产生第一恢复的矩阵；

将所述第一恢复的矩阵进行转置以产生第二输出信号矩阵；

产生TX激发矩阵并将所述TX激发矩阵减少一行和一列；

将所述第二输出信号矩阵减少一行；

通过将一行常数连接到所述第二输出信号矩阵和所述TX激发矩阵的逆矩阵的第二乘积来产生第二恢复的图像矩阵。

9.如权利要求8所述的扫描方法，其中所述TX激发矩阵包括零和激发矢量以及所述RX激发矩阵包括零和激发矢量，以及所述方法还包括：

所述处理设备的定序器根据所述TX激发矩阵来驱动所述TX电极；以及

根据所述RX激发矩阵将所述RX电极复用到所述处理设备的一个或多个差分接收器。

10.如权利要求1所述的扫描方法，其中所述处理设备产生所述指纹图像包括：

基于伪随机序列和自相关函数产生激发矩阵；

基于所述多个测量结果产生输出信号矩阵；

基于所述输出信号矩阵和所述激发矩阵的转置矩阵的乘积来产生表示所述指纹图像的恢复的图像矩阵；以及

基于所述恢复的图像矩阵来应用基线补偿。

11.一种扫描设备，包括：

定序器，其配置成在全差分多相模式中控制电容指纹传感器阵列的扫描；

差分接收器，其配置成从所述电容指纹传感器阵列接收多个测量信号，所述多个测量信号表示在所述电容指纹传感器阵列上的手指的一部分；以及

去卷积引擎，其配置成基于所述多个测量信号产生所述手指的所述一部分的指纹图像。

12.如权利要求11所述的扫描设备，其中所述定序器包括：

发射TX控制电路，其配置成控制驱动信号到所述电容指纹传感器阵列的多个TX电极的复用；以及

接收RX控制电路，其配置成控制来自所述电容指纹传感器阵列的多个RX电极的输出信号到所述差分接收器的复用。

13.如权利要求11所述的扫描设备，其中所述差分接收器包括：

差分放大器，其配置成从所述电容指纹传感器阵列的接收RX电极接收所述多个测量信号；

正交解调器，其耦合到所述差分放大器并配置成基于来自所述差分放大器的输出产生相移信号对；以及

一对模数转换器ADC，其配置成基于所述相移信号对来产生I分量值和Q分量值。

14.如权利要求11所述的扫描设备，还包括耦合到所述差分接收器的通道引擎，所述通道引擎配置成至少：基于来自所述差分接收器的输出计算相应于所述电容指纹传感器阵列的传感器元件的数字值；以及存储所述数字值用于由所述去卷积引擎使用。

15.如权利要求11所述的扫描设备，其中所述去卷积引擎包括一个或多个硬件电路，所述一个或多个硬件电路配置成产生激发矩阵和输出信号矩阵，所述激发矩阵表示应用来复用所述电容指纹传感器阵列的多个电极的控制信号的极性，而所述输出信号矩阵存储相应于所述电容指纹传感器阵列的传感器元件的数字值。

16.如权利要求15所述的扫描设备，其中所述去卷积引擎的所述一个或多个硬件电路配置成至少：

将所述激发矩阵减少一行和一列；

将所述输出信号矩阵减少一行；

生成所述输出信号矩阵和所述激发矩阵的逆矩阵的乘积；以及

通过将一行常数连接到所述乘积来产生表示所述指纹图像的恢复的图像矩阵。

17.如权利要求15所述的扫描设备，其中所述去卷积引擎的所述一个或多个硬件电路配置成至少：

基于伪随机序列和自相关函数产生所述激发矩阵；以及

基于所述输出信号矩阵和所述激发矩阵的转置矩阵的乘积来产生表示所述指纹图像的恢复的图像矩阵。

18.一种扫描系统，包括：

电容指纹传感器阵列；以及

处理设备，其耦合到所述电容指纹传感器阵列，所述处理设备配置成至少：

在全差分多相模式中扫描所述电容指纹传感器阵列；

接收表示在所述电容指纹传感器阵列上的手指的一部分的多个测量结果；以及

基于所述多个测量结果产生所述手指的所述一部分的指纹图像。

19.如权利要求18所述的扫描系统，其中所述电容指纹传感器阵列包括以在0.05mm和0.07mm之间的间距布置的多个电极。

20.如权利要求18所述的扫描系统，其中为了产生指纹图像，所述处理设备配置成至少：

产生表示应用来复用所述电容指纹传感器阵列的多个电极的控制信号的极性的激发矩阵，以及将所述激发矩阵减少一行和一列；

产生表示所述多个测量结果的输出信号矩阵，并将所述输出信号矩阵减少一行；以及

通过将一行常数连接到所述输出信号矩阵和所述激发矩阵的逆矩阵的乘积来产生表示所述指纹图像的恢复的图像矩阵。