CN109547030B - 一种基于脉宽调制的随机解调采样方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于脉宽调制的随机解调采样方法。采用比较器与计数器，代替传统的ADC，完成观测矩阵所要实现的功能；PN序列控制的锯齿状调制信号，通过比较器调制输入信号，而产生PWM波，其作为计数器的计数信号，控制计数器计数；通过这些步骤，实现了将输入信号的幅度信息转换成了时间信息。与传统的压缩采样系统对比，本系统采用了数字编码的方式，其稳定性大大提升；由于本发明系统稳定性高，功耗低，体积小，在低成本的采集设备，医疗器械及便携式终端等有良好的应用前景。

Description

一种基于脉宽调制的随机解调采样方法

技术领域

本发明涉及一种基于脉宽调制的随机解调采样方法。

背景技术

随着电子信息技术的飞速发展，数字化系统已成为现代电子系统的主流。模数转换器(ADC)承担着模拟信号数字化的主要工作，是现代系统不可缺少的一部分。近年来，随着电子信息技术的广泛发展，各种终端日益往小型化、便携式方向发展。以奈奎斯特采样定理为指导的信号采集方法导致了模字转换器的体积大，功耗高等问题而面临着巨大的挑战。我们知道奈奎斯特采样定理是不失真恢复原始信号的充分条件，而非必要条件。近几年来，数字信号处理领域的专家和学者们提出了一种全新的信息获取方法，称为压缩采样。由压缩采样理论可知：只要信号本身或者在其某一变换域上是稀疏的，可以利用与变换矩阵非相干的观测矩阵将变换系数线性投影为低维观测向量，且投影保持了重建信号所需的信息，通过求解稀疏最优化问题就能够从低维观测向量精确地或高概率精确地重建原始高维信号。

对于稀疏信号，压缩采样理论能够同时完成信号的采样与压缩。因此省掉传统奈奎斯特采样理论中先采样再压缩的低效过程，大大提高了对于稀疏信号的信号采样效率，突破了奈奎斯特采样定理的限制，使ADC的体积和功耗大大降低。

本发明采用了数字编码的方式进行压缩采样，整套采样系统使用了比较器与计数器，代替了ADC模块，避开了使用ADC的弊端，大大降低了整体的功耗与体积。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于脉宽调制的随机解调采样方法，该方法的应用系统稳定性高，功耗低，体积小，在低成本的采集设备，医疗器械及便携式终端等有良好的应用前景。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于脉宽调制的随机解调采样方法，提供有比较器、锯齿波信号发生器、计数器；通过具有信号奈奎斯特频率的伪随机序列控制锯齿波发生器，使锯齿波信号发生器输出的调制信号波形为单个锯齿波与高电平交替出现的波形，将调制信号输入到比较器中，与输入比较器的输入信号进行比较，使得比较器的输出为高电平持续时间不断变化的PWM波信号，并将PWM波信号输入到计数器当中，作为控制计数器计数时长的控制信号，从而实现将输入信号的幅度信息转换成时间信息。

在本发明一实施例中，所述将输入信号的幅度信息转换成时间信息的方式具体如下：

输入信号为V_c(t)，三角波的周期为T，对于一个三角波的周期而言，三角波的表达式为：

假设这个周期的占空比为δ_c，在t＝δ_cT时，Vr(t)＝V_c(t)，即

化简(2)可得：

V_c(δ_cT)＝V_cmaxδ_c (3)

由式(3)可知，输入信号的幅值为关于占空比δ_c的线性函数；即，输入信号的幅值信息反映在占空比的大小中；

假设三角波的频率为f₁，计数器的频率为f₂，满足f₂＞＞f₁；对于一个三角波周期而言，计数器的最高计数次数为

次；计数器的输出为C，即计数器计数C次，则计数时间为

则可以得到：

将式(4)带入式(3)，可得：

由式(5)可知，输入信号的幅值是关于计数时间t′的线性函数；即，输入信号的幅值信息反映在计数器的计数时长之中，实现了将输入信号的幅值信息转换成了时间信息；

当计数器完成计数工作后，输出一串序列值y[m]，m为压缩采样后序列的序号，序列内的每一个值分别对应计数器的每一次输出值C；而后利用子空间基追踪算法进行信号重构。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、本发明方法利用比较器与计数器设计了压缩采样系统，完成了观测矩阵所要实现的功能；

2、本发明采用数字编码的形式对输入信号进行压缩采样，对比于传统的基于随机解调的压缩采样系统，本发明的稳定性大大地提升；

本发明适用于超低功耗或者超高速，并且不需要ADC模块实现模数转换的应用场景；在低成本的采集设备，医疗器械及便携式终端等有良好的应用前景。

附图说明

图1为PWM波发生器结构。

图2为本发明电路框图。

图3为本发明实际应用电路框图。

图4为本发明实际应用电路各输出波形图。

图5为心电信号。

图6为重构信号。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

本发明提供了一种基于脉宽调制的随机解调采样方法，提供有比较器、锯齿波信号发生器、计数器；通过具有信号奈奎斯特频率的伪随机序列控制锯齿波发生器，使锯齿波信号发生器输出的调制信号波形为单个锯齿波与高电平交替出现的波形，将调制信号输入到比较器中，与输入比较器的输入信号进行比较，使得比较器的输出为高电平持续时间不断变化的PWM波信号，并将PWM波信号输入到计数器当中，作为控制计数器计数时长的控制信号，从而实现将输入信号的幅度信息转换成时间信息。

所述将输入信号的幅度信息转换成时间信息的方式具体如下：

输入信号为V_c(t)，三角波的周期为T，对于一个三角波的周期而言，三角波的表达式为：

假设这个周期的占空比为δ_c，在t＝δ_cT时，V_r(t)＝V_c(t)，即

化简(2)可得：

V_c(δ_cT)＝V_cmaxδ_c (3)

由式(3)可知，输入信号的幅值为关于占空比δ_c的线性函数；即，输入信号的幅值信息反映在占空比的大小中；

假设三角波的频率为f₁，计数器的频率为f₂，满足f₂＞＞f₁；对于一个三角波周期而言，计数器的最高计数次数为

次；计数器的输出为C，即计数器计数C次，则计数时间为

则可以得到：

将式(4)带入式(3)，可得：

由式(5)可知，输入信号的幅值是关于计数时间t′的线性函数；即，输入信号的幅值信息反映在计数器的计数时长之中，实现了将输入信号的幅值信息转换成了时间信息；

当计数器完成计数工作后，输出一串序列值y[m]，m为压缩采样后序列的序号，序列内的每一个值分别对应计数器的每一次输出值C；而后利用子空间基追踪算法进行信号重构。

以下为本发明的具体实现过程。

本发明一种基于脉宽调制的随机解调采样方法，采用了数字编码的方式进行压缩采样，设计了基于脉宽调制的随机解调采样系统，整套采样系统使用了比较器与计数器，代替了ADC模块，避开了使用ADC的弊端，大大降低了整体的功耗与体积。

具体的，本发明方法是基于脉冲宽度调制提供了一种压缩采样系统。脉冲宽度调制(PWM)是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法，其结构如图1所示，系统由一个比较器和一个锯齿波信号发生器组成。当输入信号的电平大于锯齿波时，比较器输出高电平，否则输出低电平，因此比较器的输出波形为占空比持续变化的方波，其占空比的大小反映了输入信号的幅度信息。

本发明利用了具有信号奈奎斯特频率的伪随机序列控制锯齿波发生器，使调制信号的波形为单个锯齿波与高电平交替出现的波形。调制信号输入到比较器中，与输入信号进行比较，比较器的输出为高电平持续时间不断变化的PWM波，其输入到计数器当中，作为控制计数器计数时长的控制信号，其结构如图2所示。经过这一步实现了将输入信号的幅度信息转换成了时间信息，具体转换过程如下：

输入信号为V_c(t)，三角波的周期为T，对于一个三角波的周期而言，三角波的表达式为：

假设这个周期的占空比为δ_c，在t＝δ_cT时，V_r(t)＝V_c(t)，即

化简(2)可得：

V_c(δ_cT)＝V_cmaxδ_c (3)

由式(3)可知，输入信号的幅值为关于占空比δ_c的线性函数；即，输入信号的幅值信息反映在占空比的大小中；

假设三角波的频率为f₁，计数器的频率为f₂，满足f₂＞＞f₁；对于一个三角波周期而言，计数器的最高计数次数为

次；计数器的输出为C，即计数器计数C次，则计数时间为

则可以得到：

将式(4)带入式(3)，可得：

由式(5)可知，输入信号的幅值是关于计数时间t′的线性函数；即，输入信号的幅值信息反映在计数器的计数时长之中，实现了将输入信号的幅值信息转换成了时间信息；

当计数器完成计数工作后，输出一串序列值y[m]，m为压缩采样后序列的序号，序列内的每一个值分别对应计数器的每一次输出值C；而后利用子空间基追踪算法进行信号重构。

实施例：

由于PN序列是由1和-1组成的序列，本发明采用的是数字编码的形式，不容易表示负数，因此在进行采样的时候，需要分成两路对输入信号进行采样。其实际应用电路框图如图3所示。输入信号以心电信号为例，电路中各个器件的输出波形如图4所示，调制信号发生器输出两种调制信号W1与W2，分别对应PN序列的1与-1。由于调制信号不同，两个比较器输出的PWM波也是不同的。两个计数器分别输出y1[m]与y2[m]，并将其通过串口输入到上位机，在matlab平台上使用子空间基追踪算法完成信号重构。

在实物实现过程中，输入信号x[n]采用从MIT-BIH数据库下载的心电信号，其频率为360Hz，如图5所示。因为输入信号的频率为360Hz，所以PN序列的频率也为360Hz。最后在PC机上的matlab平台，使用子空间基追踪算法，对实物系统输出的y[m]进行重构，重构的结果如图6所示，两者的结构相似度为0.9667。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于脉宽调制的随机解调采样方法，其特征在于，提供有比较器、锯齿波信号发生器、计数器；通过具有信号奈奎斯特频率的伪随机序列控制锯齿波发生器，使锯齿波信号发生器输出的调制信号波形为单个锯齿波与高电平交替出现的波形，将调制信号输入到比较器中，与输入比较器的输入信号进行比较，使得比较器的输出为高电平持续时间不断变化的PWM波信号，并将PWM波信号输入到计数器当中，作为控制计数器计数时长的控制信号，从而实现将输入信号的幅度信息转换成时间信息；所述将输入信号的幅度信息转换成时间信息的方式具体如下：

输入信号为V_c(t)，三角波的周期为T，对于一个三角波的周期而言，三角波的表达式为：

假设这个周期的占空比为δ_e，在t＝δ_cT时，V_r(t)＝V_c(t)，即

化简(2)可得：

V_c(δ_cT)＝V_cmaxδ_c (3)

由式(3)可知，输入信号的幅值为关于占空比δ_e的线性函数；即，输入信号的幅值信息反映在占空比的大小中；

假设三角波的频率为f₁，计数器的频率为f₂，满足f₂＞＞f₁；对于一个三角波周期而言，计数器的最高计数次数为

次；计数器的输出为C，即计数器计数C次，则计数时间为

则可以得到：

将式(4)带入式(3)，可得：

由式(5)可知，输入信号的幅值是关于计数时间t′的线性函数；即，输入信号的幅值信息反映在计数器的计数时长之中，实现了将输入信号的幅值信息转换成了时间信息；

当计数器完成计数工作后，输出一串序列值y[m]，m为压缩采样后序列的序号，序列内的每一个值分别对应计数器的每一次输出值C；而后利用子空间基追踪算法进行信号重构。

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