基于增益可調(diào)放大器的低功耗CMOS前端信號(hào)檢測研究*

李 錚

(黃山學(xué)院信息工程學(xué)院，安徽 黃山 245041)

引言

在CMOS場效應(yīng)管設(shè)計(jì)過程中，需要構(gòu)建低功耗CMOS前端信號(hào)的檢測模型，結(jié)合信號(hào)輸出穩(wěn)定性測試方法，進(jìn)行低功耗CMOS前端信號(hào)的放大處理，提高信號(hào)的檢測和識(shí)別能力.低功耗CMOS前端信號(hào)檢測過程中，受到場效應(yīng)環(huán)境干擾和噪聲因素的影響，導(dǎo)致低功耗CMOS前端信號(hào)檢測的準(zhǔn)確性不高[1]，需要提升CMOS前端信號(hào)輸出性能，相關(guān)的低功耗CMOS前端信號(hào)檢測放大技術(shù)研究受到人們的極大關(guān)注[2].

文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)了低噪聲放大器、開關(guān)電容型增益可調(diào)放大器以及逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器等模塊.并采用低噪聲放大器運(yùn)放代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀表放大器.該方法的CMOS前端信號(hào)檢測過程較為簡單，但是出現(xiàn)了誤差較大問題.文獻(xiàn)[4]針對CMOS 有源傳感器產(chǎn)生的暗信號(hào)隨機(jī)電報(bào)噪聲(RTS)的特性，提出一種實(shí)時(shí)自動(dòng)檢測算法，用以檢測、重建暗信號(hào)RTS，并提取噪聲關(guān)鍵參數(shù).該方法精度較為客觀，但是檢測結(jié)果信噪比偏低.文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)了一種薄膜體聲波諧振器.與振蕩電路相結(jié)合，獲取多個(gè)信號(hào)檢測參數(shù)度量.該方法理論支持較可靠，但是缺乏實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證.

本文提出基于增益可調(diào)放大器的低功耗CMOS前端信號(hào)檢測方法.構(gòu)建低功耗CMOS前端信號(hào)接收模型，采用前饋濾波檢測方法進(jìn)行低功耗CMOS前端信號(hào)的濾波處理，以此提升信號(hào)檢測精度.采用自相關(guān)波束形成方法進(jìn)行低功耗CMOS前端信號(hào)的輸出集成，實(shí)現(xiàn)信號(hào)增強(qiáng)，提高信號(hào)信噪比.通過所設(shè)計(jì)的仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了研究方法在提高低功耗CMOS前端信號(hào)檢測能力方面的優(yōu)越性能.

1 低功耗CMOS前端信號(hào)接收模型以及信號(hào)預(yù)處理

1.1 信號(hào)接收模型

為了實(shí)現(xiàn)對低功耗CMOS前端信號(hào)的智能檢測構(gòu)建，采用信號(hào)處理方法對低功耗CMOS前端信號(hào)進(jìn)行特征提取和信息識(shí)別，需要首先構(gòu)建低功耗CMOS前端信號(hào)檢測模型，然后提取低功耗CMOS前端信號(hào)的高階統(tǒng)計(jì)特征量圖譜，通過梅爾頻率倒譜系數(shù)(Mel-Frequency Cepstral Coefficients，MFCC)系數(shù)特征分析方法，進(jìn)行低功耗CMOS前端信號(hào)的模糊聚類和特征分析，基于反相雙峰指數(shù)模型感知低功耗CMOS前端信號(hào)的頻譜特征提取，令低功耗CMOS前端信號(hào)的采集傳感器為均勻分布陣列，在參考陣元中得到低功耗CMOS前端信號(hào)頻譜分布為ν(t,θ)，即：

(1)

式中，“*”表示復(fù)共軛算子.采用自適應(yīng)波束形成方法，對低功耗CMOS前端信號(hào)進(jìn)行指數(shù)性融合，得到輸出的低功耗CMOS前端信號(hào)的頻域特征量為：

ν(t,θ)=ωH(θ)x(t)=xH(t)ω(θ)

(2)

式中，“H”表示復(fù)共軛轉(zhuǎn)置；x(t)和ω(θ)分別為低功耗CMOS前端信號(hào)的瞬時(shí)時(shí)域信號(hào)分量和加權(quán)向量，可以表示為：

(3)

(4)

(5)

結(jié)合自適應(yīng)濾波和盲源分離方法進(jìn)行低功耗CMOS前端信號(hào)的特征分解[6]，得到低功耗CMOS前端信號(hào)的模糊度檢測輸出為：

(6)

(7)

以上述信號(hào)模型為輸入，構(gòu)建低功耗CMOS前端信號(hào)接收模型，采用前饋濾波檢測方法進(jìn)行低功耗CMOS前端信號(hào)的濾波處理[8].

1.2 信號(hào)濾波和增益可調(diào)放大處理

采用高分辨的信號(hào)特征分解技術(shù)進(jìn)行低功耗CMOS前端信號(hào)的增益放大和特征分離，采用圖1所示的濾波器進(jìn)行增益可調(diào)放大器.

圖1 增益可調(diào)放大器

在增益可調(diào)放大器中對接收數(shù)據(jù)做非線性處理，低功耗CMOS前端信號(hào)匹配濾波檢測的帶寬參數(shù)為θ1(k)，受到低功耗CMOS前端信號(hào)輸入的信號(hào)強(qiáng)度的影響，檢測的目標(biāo)向量為y(k)y*(k)，這里“*”代表復(fù)共軛，低功耗CMOS前端信號(hào)的濾波檢測傳遞函數(shù)為：

θ1(k+1)=θ1(k)-μRe[y(k)φ*(k)]

(8)

其中μ是低功耗CMOS前端信號(hào)的輸出階數(shù)，稱為步長；φ(k)是輸出低功耗CMOS前端信號(hào)，y(k)對匹配濾波檢測器的時(shí)域偏轉(zhuǎn)θ1(k)的幅頻響應(yīng)，在低信噪比下采用多樣本檢測方法，得到信號(hào)s(t)的復(fù)信號(hào)z(t)，得到增益可調(diào)放大輸出函數(shù)為：

(9)

其中

(10)

對低功耗CMOS前端信號(hào)檢測輸出進(jìn)行增益放大，提高信號(hào)檢測輸出的信噪比[9].

2 信號(hào)檢測輸出

2.1 信號(hào)特征分解

采用自相關(guān)波束形成方法進(jìn)行低功耗CMOS前端信號(hào)的輸出集成，實(shí)現(xiàn)信號(hào)增強(qiáng)[10]，將實(shí)信號(hào)s(t)轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)信號(hào)z(t)的形式，得到低功耗CMOS前端信號(hào)檢測的尺度分解輸出為：

(11)

在多個(gè)干擾成分下，對低功耗CMOS前端信號(hào)進(jìn)行自適應(yīng)匹配濾波檢測，提高了輸出信號(hào)的聚焦能力，對低功耗CMOS前端信號(hào)進(jìn)行匹配濾波處理，去除干擾噪聲[11]，進(jìn)行低功耗CMOS前端信號(hào)的概率密度特征估計(jì)，得到限幅器類處理的門限為：

si(t)=ui(t)cos[2πf0t+φi(t)] (i=1,2,…,d)

(12)

式中，ui(t)和φi(t)分別為低功耗CMOS前端信號(hào)的頻譜正頻部分和相位，采用波束自適應(yīng)聚焦方法，得到低功耗CMOS前端信號(hào)的傳遞函數(shù)為：

(13)

對于所有的ω，|V(ejω)|=1，得到低功耗CMOS前端信號(hào)的正頻特征量滿足V(ejω)=ejΦ(ω)，采用多尺度小波分解方法，進(jìn)行信號(hào)濾波和特征分解，采用效能函數(shù)：

(14)

采用相關(guān)頻譜檢測方法，得到低功耗CMOS前端信號(hào)的特征分解結(jié)果，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的優(yōu)化檢測[12].

2.2 信號(hào)增強(qiáng)輸出及增益放大

采用自相關(guān)波束形成方法進(jìn)行低功耗CMOS前端信號(hào)的輸出集成，實(shí)現(xiàn)信號(hào)增強(qiáng)，優(yōu)化限幅輸出為：

(i=1,2,…,d;m=1,2,…,M)

(15)

式中

(16)

采用效能函數(shù)作為非線性指標(biāo)參數(shù)，得到低功耗CMOS前端信號(hào)z(t)的可調(diào)增益為：

(17)

(18)

采用置零器和削波器群進(jìn)行低功耗CMOS前端信號(hào)的穩(wěn)定性控制，輸出為：

(19)

根據(jù)信號(hào)增強(qiáng)輸出結(jié)果進(jìn)行增益可調(diào)放大處理，構(gòu)建增益可調(diào)放大器，實(shí)現(xiàn)低功耗CMOS前端信號(hào)檢測優(yōu)化，輸出為：

(20)

信號(hào)在脈沖型噪聲中的檢測誤差為e(n)，可將上式化簡可得：

(21)

利用自相關(guān)波束形成方法對低功耗CMOS前端信號(hào)輸出集成，實(shí)現(xiàn)信號(hào)增強(qiáng).在多個(gè)干擾成分下，對低功耗CMOS前端信號(hào)進(jìn)行自適應(yīng)匹配濾波檢測，采用相關(guān)頻譜檢測方法，得到前端信號(hào)的特征分解結(jié)果，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的優(yōu)化檢測.

3 仿真測試分析

為了驗(yàn)證本文方法在實(shí)現(xiàn)低功耗CMOS前端信號(hào)檢測中的應(yīng)用性能，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)采用Matlab 7 ，對低功耗CMOS前端信號(hào)的采樣頻率為120 KHz，信號(hào)的采樣幅值為56 dB，噪聲中脈沖分量的占比為0.78，低功耗CMOS前端檢測的帶寬為40 dB，可調(diào)放大器的階數(shù)為7，平均測度為4，根據(jù)上述仿真環(huán)境和參數(shù)設(shè)定，進(jìn)行低功耗CMOS前端信號(hào)檢測，得到接收到的CMOS前端信號(hào)如圖2所示.

以圖2 的采集信號(hào)為輸入信號(hào)樣本，根據(jù)信號(hào)增強(qiáng)輸出結(jié)果進(jìn)行增益可調(diào)放大處理，構(gòu)建增益可調(diào)放大器，實(shí)現(xiàn)低功耗CMOS前端信號(hào)檢測優(yōu)化，得到檢測輸出如圖3所示.

圖2 接收到的CMOS前端信號(hào) 圖3 信號(hào)檢測輸出

分析圖3數(shù)據(jù)，以文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法作為實(shí)驗(yàn)對照組，對比三種方法的低功耗CMOS前端信號(hào)檢測精度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：

由圖4的實(shí)驗(yàn)對比結(jié)果可知，在實(shí)驗(yàn)的80次迭代下，兩種傳統(tǒng)方法的準(zhǔn)確率一直處于波動(dòng)狀態(tài).相比之下，研究方法的準(zhǔn)確率更為穩(wěn)定，且準(zhǔn)確率數(shù)值一直保持在更高水平.

圖4 檢測準(zhǔn)確率對比

為進(jìn)一步驗(yàn)證研究方法的有效性，對不同方法的信號(hào)檢測信噪比進(jìn)行實(shí)驗(yàn).測試信號(hào)輸出信噪比，得到對比結(jié)果見表1.分析表1數(shù)據(jù)得知，研究方法進(jìn)行低功耗CMOS前端信號(hào)檢測的輸出信噪比較高，說明研究方法的應(yīng)用性能更優(yōu)，在實(shí)際應(yīng)用中具有明顯優(yōu)勢.

表1 輸出信噪比 dB

4 結(jié)語

針對傳統(tǒng)低功耗CMOS前端信號(hào)檢測存在的缺陷，提出基于增益可調(diào)放大器的低功耗CMOS前端信號(hào)檢測方法.采用前饋濾波檢測方法進(jìn)行低功耗CMOS前端信號(hào)的濾波處理，利用自相關(guān)波束形成方法進(jìn)行低功耗CMOS前端信號(hào)的輸出集成，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)增強(qiáng)，并實(shí)現(xiàn)低功耗CMOS前端信號(hào)檢測優(yōu)化.根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可知，研究方法進(jìn)行低功耗CMOS前端信號(hào)檢測的輸出準(zhǔn)確性較好，信號(hào)輸出的信噪比較高，具有更好的應(yīng)用前景.