CN113659955B - 一种可实现小波重构功能的声表面波放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于通信信号处理技术领域，公开了一种可实现小波重构功能的声表面波放大器。声表面波放大器同时具有对输入信号放大和实现小波重构的功能；声表面波放大器的增益为正值，且频响为小波重构函数的频响；声表面波放大器包括两个换能器，两个换能器用于使得声表面波放大器的频响为小波重构函数的频响，两个换能器之间采用多层膜结构，多层膜结构用于实现声表面波放大器的增益为正值。本发明的有益效果是，不需要采用外接有源运算放大器和电阻等构成表面波式小波重构处理器，可直接实现小波重构处理器，从而实现了硬件的小型化，减小了硬件的功耗，解决了声表面波式小波重构处理器难以应用在高集成度和高性能的通信信号处理领域的技术问题。
Description
技术领域
本发明属于通信信号处理技术领域，涉及一种采用声表面波器件实现小波重构的通信信号处理技术，具体涉及一种可实现小波重构功能的声表面波放大器。
背景技术
小波变换技术被誉为信号处理的“显微镜”，而小波逆变换与小波变换不同，小波逆变换也就是小波重构，即小波重构能将输入信号经过分解处理之后再次还原为原始输入信号。小波逆变换是实现信号重构的关键。根据文献“声表面波式小波变换及重构器件的实现研究.电子学报[J],2002,30(8):1156-1159.”中的图2和“用声表面波器件实现小波变换的研究.中国科学(E辑)[J],2003,33(11):1028-1036.”中的图2及相关阐述，现有的采用声表面波器件实现小波重构的技术方案，需要采用损耗为负值的声表面波器件再外接有源运算放大器和电阻等一起构成小波重构处理器。
现有技术方案的缺点是每个尺度的声表面波器件的损耗都是负值，所以不仅需要外接有源运算放大器对声表面波器件的损耗进行补偿，而且还需要外接有源运算放大器对信号的幅值放大一定的倍数，因此现有技术方案需要外接有源运算放大器和电阻等，导致电路结构复杂、体积较大，不利于整体硬件系统的小型化，且硬件的功耗较大，导致采用现有技术方案实现的声表面波式小波重构处理器难以应用在高集成度和高性能的通信信号处理领域。如何能够不采用有源运算放大器和电阻等，就能直接实现小波重构的功能，同时又能减小整体小波重构处理器硬件电路的体积，即只要采用单片就实现小波重构，是个亟需解决的技术问题。为解决这个问题，本发明提出一种增益为正值且频响为小波重构函数的频响的采用多层膜结构的声表面波放大器实现小波重构的方法，不需要采用有源运算放大器和电阻等就能实现小波重构处理器，不仅可以直接实现小波重构，而且可以使小波重构硬件小型化，并使小波重构处理器硬件的功耗减小。本发明具有在单片上同时实现增益放大和小波重构两种功能集成的特点，使得小波重构处理器硬件的体积和复杂度都比传统技术方案明显减小，且使得硬件的功耗减小，能显著提升声表面波式小波重构处理器在通信信号处理中的应用。
发明内容
小波逆变换与小波变换不同，小波逆变换也就是小波重构，即将输入信号经过分解处理之后再次还原为原始输入信号。本发明的主要目的是采用一种增益为正值且频响为小波重构函数的频响的声表面波放大器，可直接实现小波重构处理器，以解决现有技术中采用外接有源运算放大器和电阻等构成表面波式小波重构处理器，使电路结构复杂、体积较大，不利于硬件的小型化，且硬件的功耗较大，导致声表面波式小波重构处理器难以应用在高集成度和高性能的通信信号处理领域的技术问题。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是提出一种增益为正值的可直接实现小波重构的声表面波放大器。
本发明的技术方案特征包括：
一种可实现小波重构功能的声表面波放大器，所述声表面波放大器同时具有对输入信号放大和实现小波重构的功能；声表面波放大器的增益为正值，且频响为小波重构函数的频响；所述声表面波放大器包括两个换能器，两个换能器用于使得声表面波放大器的频响为小波重构函数的频响，两个换能器之间采用多层膜结构，所述多层膜结构用于实现所述声表面波放大器的增益为正值。
进一步的，所述两个换能器的结构为输入换能器采用切趾加权，输出换能器采用宽带不加权；或者输入换能器采用宽带不加权，输出换能器采用切趾加权；或者输入换能器采用抽指加权，输出换能器采用宽带不加权；或者输入换能器采用宽带不加权，输出换能器采用抽指加权；或者输入换能器采用抽指加权，输出换能器采用切趾加权；或者输入换能器采用切趾加权，输出换能器采用抽指加权。
无论采用的换能器结构为哪一种，本发明的目标都是使得声表面波放大器的频响为小波重构函数的频响。
进一步的，所述多层膜结构用于实现所述声表面波放大器的增益为正值的方式为：通过选择高机电耦合系数压电材料LiNbO3为基片，以高电子迁移率材料InAs为压电半导体薄膜，高机电耦合系数压电材料LiNbO3和高电子迁移率材料InAs之间用AlSb为隔离层，利用声电耦合效应，从而在电场作用下产生电声相互作用，并以Au/Ag为正负电极，以AlSb作为Au/Ag与高电子迁移率材料InAs间的隔离层，实现声表面波放大器的增益为正值，所述声表面波放大器的增益取决于声电耦合的强度。
进一步的，所述换能器可以采用单相单向换能器、双向换能器或分裂指换能器。
本发明还提供了一种单尺度小波重构处理器，所述单尺度小波重构处理器为上述的单尺度声表面波放大器。
本发明还提供了一种多尺度小波重构处理器，所述多尺度小波重构处理器包括多种不同单尺度的上述的单尺度声表面波放大器和加法器。
采用本发明的技术方案，能够实现对输入信号的放大，并同时得到小波重构函数的频响，从而在单基片上直接实现小波重构功能。在此技术方案的基础上，采用单片封装，实现单片式小波重构处理器，从而有利于实现小波重构处理器的小型化，使硬件的功耗减小，并提升通信信号处理的性能。
本发明的有益效果是，不需要采用外接有源运算放大器和电阻等构成表面波式小波重构处理器，而是采用一种增益为正值且频响为小波重构函数的频响的采用多层膜结构的声表面波放大器，可直接实现小波重构处理器，从而实现了硬件的小型化，减小了硬件的功耗，解决了声表面波式小波重构处理器难以应用在高集成度和高性能的通信信号处理领域的技术问题。
附图说明
图1为现有技术方案的示意图，需要在声表面波器件外接有源运算放大器和电阻等元器件实现小波重构，缺点是硬件复杂，体积较大，不利于小型化，且硬件的功耗较大。
图2为本发明的一种采用单片实现小波重构处理器的单尺度(例如尺度2-2)声表面波放大器的结构示意图。
图3为本发明的单尺度(例如尺度2-2)具有小波重构功能的声表面波放大器的俯视结构示意图。
图4为本发明的单尺度(例如尺度2-2)具有小波重构功能的声表面波放大器的剖面结构示意图。
图5为采用本发明的声表面波放大器实现多尺度(例如尺度21、20、2-1)小波重构处理器的结构示意图。其中只画出了三个不同单尺度的声表面波放大器，实际中可根据输入信号f(t)的带宽选择适当的尺度数量。
具体实施方式
为了更加清楚地说明本发明实施例的具体技术方案，下面将结合实施实例并结合附图对本发明作进一步描述，显而易见，所描述的实施实例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了解决现有技术(如图1)中采用外接有源运算放大器和电阻等构成表面波式小波重构处理器，导致电路结构复杂、体积较大，不利于硬件的小型化，且硬件的功耗较大，并导致声表面波式小波重构处理器难以应用在高集成度和高性能的通信信号处理领域的技术问题。
下面介绍本发明的实施例，首先给出离散二进小波重构的原理。
对于输入信号f(t)，经过小波变换之后的结果为
这里*是卷积符号；k是整数；2k是离散尺度；t是连续时间变量；τ是位移因子；f0是中心频率值。二进小波的重构公式如下
这里y(t)是输出信号，是/>的对偶框架，它的一阶近似等于
将式(1)和式(3)代入式(2)，通过一系列的推导后，可得到如下的小波重构公式
当A与B近似相等时，由式(4)就能更加精确地重构原始输入信号f(t)。从式(4)中，可得到为实现小波重构的函数表达式如下
式(5)就是使本发明中声表面波放大器的频响为小波重构函数的频响的加权公式。
为实现上述目的，对于采用本发明的声表面波放大器实现单尺度下的小波重构处理器，本发明采用的具体技术实施方案如下：
如图2所示，不失一般性，若任意选择一个单尺度(例如尺度为2-2)的小波重构函数对换能器进行加权，则可以采用的换能器的结构有，输入换能器采用切趾加权，输出换能器采用宽带不加权；或者输入换能器采用宽带不加权，输出换能器采用切趾加权；或者输入换能器采用抽指加权，输出换能器采用宽带不加权；或者输入换能器采用宽带不加权，输出换能器采用抽指加权；或者输入换能器采用抽指加权，输出换能器采用切趾加权；或者输入换能器采用切趾加权，输出换能器采用抽指加权等。但是，无论采用的换能器结构为哪一种，本发明的目标都是使得本技术中的声表面波放大器的频响为小波重构函数的频响。同时，采用多层膜结构(如图3和图4)，通过选择压电半导体材料，利用声电耦合效应，本发明以高机电耦合系数压电材料LiNbO3为基片，以高电子迁移率材料InAs为压电半导体薄膜(厚度100～150nm)，从而在电场作用下产生电声相互作用，以AlSb为隔离层(厚度2～5nm)，并以Au/Ag(以AlSb作为Au/Ag与InAs间的隔离层)为正负电极，实现了一种增益为正值(可达30～40dB)的声表面波放大器，该放大器的增益取决于声电耦合的强度。
优选的，高机电耦合系数压电材料LiNbO3也可采用其它高机电耦合系数压电材料取代，高电子迁移率材料InAs也可采用其它高电子迁移率材料取代。
优选的，在实际设计中，输入换能器和输出换能器的指条数将很多，这取决于工程需求。
优选的，小波重构函数的尺度可以为任意的尺度。
优选的，通过调节换能器的长度(即叉指周期数)，可以增大声表面波放大器的增益。
以上是对单尺度的小波重构处理器的具体技术实施方案的说明。
下面，再对多尺度下的小波重构处理器的具体技术实施方案进行说明：
如图5所示，不失一般性，图中只画出三种不同单尺度下的声表面波放大器，实际中可根据输入信号f(t)的带宽选择适当的尺度数量。此图5中的三个不同尺度分别是21、20和2-1，因此对应的3个小波重构加权函数分别是和/>且这三个声表面波放大器的结构分别可参照图2的第一个实施例中的单尺度下的结构设计。
优选的，根据输入信号的频带宽度，可以灵活的选择尺度的数量，并将多个不同单尺度下的声表面波放大器制作成滤波器组。
优选的，可以将多个不同单尺度的声表面波放大器封装在一个单芯片中或者分别进行封装。
Claims (5)
1.一种可实现小波重构功能的声表面波放大器，其特征在于，所述声表面波放大器同时具有对输入信号放大和实现小波重构的功能；声表面波放大器的增益为正值，且频响为小波重构函数的频响；所述声表面波放大器包括两个换能器，两个换能器用于使得声表面波放大器的频响为小波重构函数的频响，两个换能器之间采用多层膜结构，所述多层膜结构用于实现所述声表面波放大器的增益为正值；所述多层膜结构用于实现所述声表面波放大器的增益为正值的方式为：通过选择高机电耦合系数压电材料LiNbO3为基片，以高电子迁移率材料InAs为压电半导体薄膜，高机电耦合系数压电材料LiNbO3和高电子迁移率材料InAs之间用AlSb为隔离层，利用声电耦合，从而在电场作用下产生电声相互作用，并以Au/Ag为正负电极，以AlSb作为Au/Ag与高电子迁移率材料InAs间的隔离层，实现声表面波放大器的增益为正值，所述声表面波放大器的增益取决于声电耦合的强度。
2.根据权利要求1所述的声表面波放大器，其特征在于，所述两个换能器的结构为输入换能器采用切趾加权，输出换能器采用宽带不加权；或者输入换能器采用宽带不加权，输出换能器采用切趾加权；或者输入换能器采用抽指加权，输出换能器采用宽带不加权；或者输入换能器采用宽带不加权，输出换能器采用抽指加权；或者输入换能器采用抽指加权，输出换能器采用切趾加权；或者输入换能器采用切趾加权，输出换能器采用抽指加权。
3.根据权利要求1所述的声表面波放大器，其特征在于，所述换能器可以采用单相单向换能器、双向换能器或分裂指换能器。
4.一种单尺度小波重构处理器，其特征在于，所述单尺度小波重构处理器为权利要求1～3任一项所述声表面波放大器的单尺度声表面波放大器。
5.一种多尺度小波重构处理器，其特征在于，所述多尺度小波重构处理器包括加法器和多种不同单尺度声表面波放大器，所述单尺度声表面波放大器为权利要求1～3任一项声表面波放大器。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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