用于基于不均勻取樣的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的基于壓縮感測(cè)的重構(gòu)算法制造技術(shù)

壓縮感測(cè)是嘗試防止與數(shù)據(jù)壓縮相關(guān)聯(lián)的損失且改善總體效率的新興領(lǐng)域，且壓縮感測(cè)是在俘獲之前或俘獲期間執(zhí)行壓縮，從而不會(huì)浪費(fèi)能量。此處，提出重構(gòu)算法以用于壓縮感測(cè)逐次近似寄存器SAR模/數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC。因此，在取樣頻率下將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為第一數(shù)字信號(hào)，所述取樣頻率小于所述模擬信號(hào)的奈奎斯特頻率，且通過(guò)箱型約束線性優(yōu)化過(guò)程從所述第一數(shù)字信號(hào)構(gòu)造第二數(shù)字信號(hào)，使得所述第二數(shù)字信號(hào)近似等于所述模擬信號(hào)在所述模擬信號(hào)的所述奈奎斯特頻率下的模/數(shù)轉(zhuǎn)換。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
用于基于不均勻取樣的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的基于壓縮感測(cè)的重構(gòu)算法
本專利技術(shù)大體上涉及模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，且更特定來(lái)說(shuō)，涉及壓縮感測(cè)ADC(CS-ADC)。
技術(shù)介紹
數(shù)字壓縮已變?yōu)槠毡榇嬖诘模乙呀?jīng)用于廣泛多種應(yīng)用(例如視頻和音頻應(yīng)用)中。當(dāng)將圖像俘獲(即，攝影術(shù))作為實(shí)例時(shí)，采用圖像傳感器(即，電荷耦合裝置或CCD)來(lái)產(chǎn)生模擬圖像數(shù)據(jù)，且使用ADC來(lái)將此模擬圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字表示。此類型的數(shù)字表示(其為原始數(shù)據(jù))可消耗大量的存儲(chǔ)空間，因此采用算法來(lái)將原始(數(shù)字)圖像壓縮為更緊湊的格式(即，聯(lián)合攝影專家組或JPEG)。在已俘獲圖像且將圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字表示之后執(zhí)行壓縮浪費(fèi)了能量(即，電池壽命)。此類型的損失對(duì)于采用數(shù)據(jù)壓縮的幾乎每種應(yīng)用都存在。壓縮感測(cè)是嘗試防止與數(shù)據(jù)壓縮相關(guān)聯(lián)的損失且改善總體效率的新興領(lǐng)域。壓縮感測(cè)是在俘獲之前或俘獲期間執(zhí)行壓縮，從而不會(huì)浪費(fèi)能量。為了實(shí)現(xiàn)此目的，應(yīng)調(diào)整ADC操作所依據(jù)的理論，因?yàn)榇蠖鄶?shù)損失是由于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換引起的。為了使ADC在常規(guī)理論下恰當(dāng)?shù)貓?zhí)行，ADC應(yīng)以模擬輸入信號(hào)(即，音頻信號(hào))的最高速率的兩倍進(jìn)行取樣，所述兩倍速率通常稱為香農(nóng)-奈奎斯特(Shannon-Nyquist)速率或奈奎斯特頻率。壓縮感測(cè)應(yīng)允許遠(yuǎn)低于香農(nóng)-奈奎斯特速率的取樣速率，只要所關(guān)注信號(hào)在某個(gè)任意的表示域中為稀疏的且是在相對(duì)于所述表示域不相干的域中進(jìn)行取樣或感測(cè)即可。顯然，壓縮感測(cè)的一部分是致力于在解析之后的重構(gòu)(通常在數(shù)字域中)；其實(shí)例在下文中關(guān)于逐次近似寄存器(SAR)ADC且在羅(Luo)等人的“具有逐次近似ADC架構(gòu)的壓縮取樣(CompressiveSamplingwithaSuccessiveApproximationADCArchitecture)”(2011年聲學(xué)語(yǔ)音和信號(hào)處理國(guó)際會(huì)議(2011Intl.Conf.onAcousticSpeechandSignalProcessing，ICASSP)第2590到2593頁(yè))中描述。對(duì)于壓縮感測(cè)框架，信號(hào)可表達(dá)為：(1)其中(其滿足條件)是頻率稀疏信號(hào)，是快速傅立葉逆變換或IFFT基矩陣(其將頻率稀疏信號(hào)映射到時(shí)域)，是從隨機(jī)集合Ω提供M個(gè)樣本的單位矩陣的行約束(或)，且是測(cè)量矩陣。測(cè)量矩陣應(yīng)服從具有高概率的約束等距性質(zhì)(RIP)，只要測(cè)量或樣本的數(shù)目M充分大即可。在具有J個(gè)級(jí)的SARADC的情況下，總誤差em為：(2)em＝et+eq，其中eq是量化誤差，且et是在m個(gè)級(jí)處停止時(shí)的截?cái)嗾`差。量化誤差eq位于-VREF/2J到VREF/2j的范圍內(nèi)，其中VREF是參考電壓，而截?cái)嗾`差et位于0與之間。因此，根據(jù)以上等式(2)，總誤差em變?yōu)椋?3)使用總誤差et的上界和下界，模擬信號(hào)y與經(jīng)量化樣本yq之間的差處于這些界限之間，這意味著(使用以上等式(1))可通過(guò)求解下式來(lái)恢復(fù)輸入信號(hào)：(4)前提為(5)其中是Wii＝1/ei的對(duì)角加權(quán)矩陣，且ei是最大量化誤差。加權(quán)矩陣的目的是將重構(gòu)引向一個(gè)解，所述解較接近地符合高精度樣本而不是低精度樣本。此解(其通常稱為二次約束線性規(guī)劃)在許多情況下可為足夠的，但對(duì)于其它情形，更高準(zhǔn)確性可能是必要的。因此，需要更準(zhǔn)確的重構(gòu)方法或算法。一些常規(guī)電路和系統(tǒng)是：第7,324,036號(hào)美國(guó)專利；第7,834,795號(hào)美國(guó)專利；拉斯卡(Laska)等人的“使用隨機(jī)解調(diào)的模擬/信息轉(zhuǎn)換器的理論和實(shí)施方案(TheoryandImplementationofanAnalog-to-InformationConverterUsingRandomDemodulation)”，IEEE電路和系統(tǒng)國(guó)際研討會(huì)(IEEEIntl.SymposiumonCircuitsandSystems)，2007年5月27到30日，第1959到1962頁(yè)；孟(Meng)等人的“使用壓縮感測(cè)的60GHzUWB通信的取樣速率降低(SamplingRateReductionfor60GHzUWBCommunicationUsingCompressiveSensing)”，阿西洛瑪信號(hào)、系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)會(huì)議(AsilomarConferenceonSignals，Systems&Computer)，2009年；本杰明·斯科特·伯格斯(BenjaminScottBoggess)的“使用隨機(jī)解調(diào)的壓縮感測(cè)(CompressiveSensingUsingRandomDemodulation)”(碩士論文)，2009年；坎迪斯(Candes)等人的“壓縮感測(cè)的介紹(AnIntroductiontoCompressiveSensing)”，IEEESP雜志(IEEESPMagazine)，2008年3月；特羅普(Tropp)等人的“超越奈奎斯特：稀疏限帶信號(hào)的有效取樣(BeyondNyquist：EfficientSamplingofSparseBandlimitedSignals)”，IEEE信息理論學(xué)報(bào)(IEEETransactionsonInformationTheory)，2010年1月；陳(Chen)等人的“采用壓縮感測(cè)的亞奈奎斯特速率取樣接收器(ASub-NyquistRateSamplingReceiverExploitingCompressiveSensing)”，IEEE電路和系統(tǒng)學(xué)報(bào)I注冊(cè)論文(IEEETransactionsonCircuitsandSystemes-I，Reg.Papers)，2011年3月；R·巴拉紐克(R.Baraniuk)的“壓縮感測(cè)(Compressivesensing)”，IEEE信號(hào)處理雜志講稿(LecturenotesinIEEESigualProcessingMagazine)，24(4)：118-120，2007年；Y·艾爾達(dá)(Y.Eldar)的“用于模擬信號(hào)的壓縮感測(cè)(Compressedsensingforanalogsignals)”，IEEE信號(hào)處理學(xué)報(bào)(IEEETrans.SignalProc.)，2008年提交；羅(Luo)等人的“具有逐次近似ADC架構(gòu)的壓縮取樣(CompressiveSamplingwithaSuccessiveApproximationADCArchitecture)”，2011年聲學(xué)語(yǔ)音和信號(hào)處理國(guó)際會(huì)議(2011Intl.Conf.onAcousticSpeechandSignalProcessing，ICASSP)，第2590到2593頁(yè)；米沙利(Mishali)等人的“盲多帶信號(hào)重構(gòu)：模擬信號(hào)的壓縮感測(cè)(Blindmulti-bandsignalreconstruction：Compressedsensingforanalogsignals)”，IEEE信號(hào)處理學(xué)報(bào)，2007年提交；魯?shù)聽柹?Rudelson)等人的“從傅立葉和高斯測(cè)量的稀疏重構(gòu)(OnsparsereconstructionfromFourierandGaussianmeasurements)”，純數(shù)學(xué)與應(yīng)用數(shù)學(xué)通訊(CommunicationsonPureandAppliedMathematics)，61(8)：1025-1045，2008年；J·特羅普(J.Tropp)、M·B·瓦金本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種設(shè)備，其包括：模/數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC，其經(jīng)配置以從模擬信號(hào)產(chǎn)生第一數(shù)字信號(hào)；以及控制器，其耦合到所述ADC以便將樣本信號(hào)提供到所述ADC且從所述ADC接收所述第一數(shù)字信號(hào)，其中所述樣本信號(hào)的頻率小于所述模擬信號(hào)的奈奎斯特頻率，且其中所述控制器通過(guò)采用箱型約束線性優(yōu)化過(guò)程而從所述第一數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生第二數(shù)字信號(hào)，且其中所述第二數(shù)字信號(hào)近似等于所述模擬信號(hào)在所述模擬信號(hào)的所述奈奎斯特頻率下的模/數(shù)轉(zhuǎn)換。

【技術(shù)特征摘要】
2011.09.16 US 13/234,2971.一種壓縮感測(cè)設(shè)備，其包括：模/數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC，其經(jīng)配置以從模擬信號(hào)產(chǎn)生第一數(shù)字信號(hào)；以及控制器，其耦合到所述ADC以便將樣本信號(hào)提供到所述ADC且從所述ADC接收所述第一數(shù)字信號(hào)，其中所述樣本信號(hào)的頻率小于所述模擬信號(hào)的奈奎斯特頻率，且其中所述控制器通過(guò)采用箱型約束線性優(yōu)化過(guò)程而從所述第一數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生第二數(shù)字信號(hào)，且其中所述第二數(shù)字信號(hào)近似等于所述模擬信號(hào)在所述模擬信號(hào)的所述奈奎斯特頻率下的模/數(shù)轉(zhuǎn)換；其中所述ADC進(jìn)一步包括逐次近似寄存器SARADC。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述SARADC進(jìn)一步包括：取樣與保持S/H電路，其經(jīng)配置以接收模擬信號(hào)和所述樣本信號(hào)；比較器，其耦合到所述S/H電路；SAR邏輯，其耦合到所述比較器和所述控制器；以及電容性數(shù)/模轉(zhuǎn)換器CDAC，其耦合到所述SAR邏輯和所述比較器。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其中所述控制器將...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：查爾斯·K·塞斯托克，安德魯·沃特斯，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：德州儀器公司，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：