專利名稱：脈沖流的低速采樣的制作方法
技術領域：
本發(fā)明總體涉及信號采樣，具體涉及用于對脈沖流進行采樣的方法和系統(tǒng)。
背景技術：
在廣泛的應用——包括神經(jīng)元信號處理、生物成像、圖像處理、雷達系統(tǒng)和超寬帶 (UffB)通信中，執(zhí)行模擬脈沖序列的接收和重構。在本領域中，已知用于對模擬脈沖序列進行采樣和重構的多種方法。例如,Vetterli等人在“Sampling Signals with Finite Rate ofInnovation", IEEE Transactions on Signal Processing, volume 50, no.6,2002 ^ 6 月，第1417-14 頁中說明了一些示例方案，該文獻在此以引用方式納入本文。Blu等人在 “Sparse Sampling of SignalInnovations", IEEE Signal Processing Magazine, volume 25，no. 2,2008年3月，第31-40頁中說明了另一些示例方案，該文獻在此以引用方式納入本文。一些采樣方案對有限的脈沖序列進行采樣。在下列文獻中說明了一些示例方法上述 Vetterli 等人的文獻；Maravic 禾口 Vetterli 的"Sampling and Reconstruction of Signals with Finite Rate of Innovation in the Presence of Noise，，，IEEE Transactions onSignal Processing, volume 53, no.8,2005 年 8 月，第 2788-2805 頁； Dragotti 等人的"Sampling Moments and Reconstructing Signals ofFinite Rate of Innovation Shannon Meets Strang-Fix，，，IEEETransactions on Signal Processing, volume 55，no. 5,2007 年 5 月，第 1741-1757 頁；以及 kelamantule 和 Unser 的"A GeneralizedSampling Method for Finite-Rate-of-Innovation-SignalReconstructiο ηMEEE Signal Processing Letters, volume 15，2008，第 813-816 頁，這些文獻在此以引用方式納入本文。

發(fā)明內(nèi)容
本文說明的本發(fā)明的一個實施方案提供了一種方法，該方法包括接受包含一脈沖序列的模擬輸入信號。該模擬輸入信號被濾波器濾波以產(chǎn)生濾波器輸出，該濾波器的時域響應局限于有限時間段，并且該濾波器的頻域響應在頻移Δω的一有限組整數(shù)倍處為非零，且在△ ω的所有其他整數(shù)倍處為零。該濾波器輸出被采樣以產(chǎn)生數(shù)字樣本?；谠摂?shù)字樣本來計算該序列中的脈沖的各自振幅和時間位置。在一些實施方案中，該濾波器的頻域響應可表示為一個濾波函數(shù)的多個頻移副本 (replica)的有限和(sum)，其中該濾波函數(shù)在頻移Δω的所有整數(shù)倍η · Δ ω (除了 n = 0)處為零。在一個實施方案中，該濾波函數(shù)包括歸一化的正弦函數(shù)。在一個公開的實施方案中，該有限和中的頻移副本以各自的權重系數(shù)計權重。所述權重系數(shù)可以被選擇，以在所述數(shù)字樣本被噪聲扭曲時優(yōu)化對振幅和時間位置的估計。在另一個實施方案中，對該輸入信號進行濾波以及對濾波器輸出進行采樣包括 使用包括單個濾波器和單個采樣器的單個處理通道來處理輸入信號。在又一個實施方案中，計算振幅和時間位置包括將零化濾波器應用至數(shù)字樣本。在一個公開的實施方案中，對濾波器輸出進行采樣，包括以均勻隔開的采樣間隔對濾波器輸出進行數(shù)字化?；蛘?，對濾波器輸出進行采樣包括以非均勻隔開的采樣間隔對濾波器輸出進行數(shù)字化。在一些實施方案中，該輸入信號是無限的和周期性的。在另一些實施方案中，輸入信號局限于有限時間區(qū)間。在一個示例實施方案中，對該輸入信號進行濾波包括將該濾波器的兩個或更多個實例的疊加應用至該輸入信號，所述兩個或更多個實例在時間上相對于彼此移位了各自倍數(shù)的有限時間區(qū)間。在又一個實施方案中，該輸入信號中的脈沖局限于短時脈沖串(burst)，以使得每個短時脈沖串局限于有限時間區(qū)間，并且對該輸入信號進行濾波包括分別在每個短時脈沖串中將該濾波器的兩個或更多個實例的疊加應用至該輸入信號，所述兩個或更多個實例在時間上相對于彼此移位了各自倍數(shù)的有限時間區(qū)間。在一些實施方案中，接受該輸入信號包括接收從組織反射的多個超聲回波脈沖， 并且該方法包括輸出所述回波脈沖的振幅和時間位置，以基于該振幅和該時間位置診斷該組織。在一些實施方案中，接受該輸入信號包括接收從由以下信號類型組成的組中選擇的至少一種信號類型超聲信號、通信信號、雷達信號、生物信號以及圖像信號，它們載有所述脈沖序列。根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，還提供了一種設備，該設備包括輸入接口和采樣單元。該輸入接口被配置為接受包含一脈沖序列的模擬輸入信號。該采樣單元包括濾波器， 該濾波器的時域響應局限于有限時間段，并且該濾波器的頻域響應在頻移的一有限組整數(shù)倍處為非零，且在Δ ω的所有其他整數(shù)倍處為零。該采樣單元被配置為使用該濾波器對該模擬輸入信號進行濾波以產(chǎn)生濾波器輸出，并對該濾波器輸出進行采樣以產(chǎn)生數(shù)字樣本。從下文結合附圖的詳細說明中將更全面地理解本發(fā)明。在附圖中


圖1是示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的包含一模擬脈沖序列的輸入信號的圖；圖2是示意性地例示了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的用于對模擬脈沖序列進行采樣和重構的系統(tǒng)的框圖；圖3是示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的“正弦和(sum-of-sincs) ”濾波器的頻域傳遞函數(shù)的曲線圖；圖4是示意性地例示了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的用于對模擬脈沖序列進行采樣和重構的方法的流程圖；以及圖5是示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的用于對無限脈沖序列進行采樣的采樣方案的圖。
具體實施例方式概覽本文說明的本發(fā)明的實施方案提供了用于對模擬脈沖序列進行采樣的改進的方法和系統(tǒng)。這些方法和系統(tǒng)使用一類新穎的采樣核，或預采樣濾波器，其時域響應是有限的(即，局限于有限時間段)，并且其頻域響應在頻移的一有限組整數(shù)倍處為非零，而在 Δ ω的所有其他整數(shù)倍處為零。在一些實施方案中，該濾波器的頻域響應在任何給定頻率ω可表示為某一濾波函數(shù)的多個頻移副本的有限和。該濾波函數(shù)在某一頻移Δ ω的所有整數(shù)倍η · Δ ω (除了 η = 0)處為零。在一些公開的實施方案中，該采樣核可表示為sin (π ω)/(π ω)形式的歸一化正弦函數(shù)的有限和。后面的這些濾波器在本文中被稱為“正弦和”(SoS)濾波器。在一些實施方案中，采樣和重構系統(tǒng)接受由脈沖序列構成的模擬輸入信號。該信號中的脈沖具有已知的脈沖形狀，但振幅和時間位置未知。該系統(tǒng)使用濾波器——其響應滿足上述條件——對該輸入信號進行濾波，然后對已濾波的信號進行采樣。如下面將示出的，在采樣之前使用這樣的濾波器對該信號進行濾波，使得該系統(tǒng)能夠從所采樣的信號計算未知的脈沖振幅和時間位置。當使用所公開的濾波器時，即使在非常低的采樣率下也能對脈沖振幅和時間位置進行極好的重構。對于每周期具有L個脈沖的周期信號，例如，僅僅每周期2L個樣本的采樣率就能進行重構，甚至當脈沖僅占有一小部分時間時。濾波器參數(shù)，例如濾波函數(shù)的數(shù)目以及它們在該和中的相對權重，可以被選擇以匹配各種設計目標。與一些已知的采樣方案不同，對于少量和大量脈沖，所公開的技術都對噪聲數(shù)值上穩(wěn)定且適應力強(resilience)。此外，本文描述的濾波器是時間有限的 (time-limited)，從而也可被用來對有限和非周期性脈沖序列進行采樣。所公開的技術的示例仿真測試結果可以在上面所引用的美國臨時專利申請61/313，748中找到。系統(tǒng)說明本發(fā)明的實施方案對模擬脈沖序列進行采樣和重構。所述序列可以是有限的、 無限的、周期性的或非周期性的。通常，該序列中的脈沖具有已知的脈沖形狀，但具有未知的振幅和時間位置。這一類型的信號有時被稱為具有有限更新率(Finite Rate of Innovation, FRI)，因為它們每單位時間具有有限數(shù)目的自由度。本文描述的方法和系統(tǒng)將 FRI壓縮傳感技術應用于超聲成像以及多種其他應用。圖1是示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的包含一模擬脈沖序列的輸入信號的圖。本示例示出了四個具有相同已知脈沖形狀的脈沖。這四個脈沖具有振幅B1... &以及各自的時間位置、...、。圖2是示意性地例示了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的用于對模擬脈沖序列進行采樣和重構的系統(tǒng)20的框圖。在各種實施方案中，系統(tǒng)20可以被用在任何合適的涉及模擬脈沖序列處理的應用中。示例應用包括超聲成像和其他生物成像模式、神經(jīng)元信號或其他生物信號的處理、雷達信號的處理、圖像處理以及超寬帶(UWB)通信。系統(tǒng)20包括輸入接口 24、采樣單元28和重構單元32。接口 M接收用x(t)指代的模擬輸入信號。該輸入信號包含一模擬脈沖序列，其具有已知的脈沖形狀和未知的振幅和時間位置(發(fā)生時間(occurrence times))。采樣單元觀使用低采樣率有效率地對該輸入信號進行采樣，如下面將詳細解釋的。單元觀產(chǎn)生用c[n]指代的樣本流。重構單元32 對該樣本流進行處理，以重構x(t)中的脈沖的振幅和時間位置( ,、)。由于該脈沖的脈沖形狀是已知的，所以所重構的振幅和時間位置提供了模擬信號x(t)的完整表現(xiàn)。所重構的振幅和時間位置通常被提供為輸出。
在一些公開的實施方案中，采樣單元觀使用濾波器36對輸入信號x(t)進行采樣，該濾波器在任何給定頻率ω處的頻域響應可表示為某一濾波函數(shù)的多個頻移副本的有限和。該濾波函數(shù)在ω = 0處為非零，且在Δ ω的所有其他整數(shù)倍處為零。在本實施方案中，該濾波器的傳遞函數(shù)由有限數(shù)目的正弦函數(shù)的和組成。因此濾波器36被稱為“正弦和”(SoS)濾波器。隨后的說明主要涉及SoS濾波器的使用。然而，在一些替代實施方案中，濾波器36可以包括任何其他合適的滿足上述條件的濾波器。本語境中的術語“正弦函數(shù)”指的是形式為sin(arg)/arg的任何函數(shù)，其中arg 指代該函數(shù)的自變量。單元觀包括采樣器40，例如，模擬-數(shù)字轉換器(ADC)，其對濾波器 36的輸出進行采樣，以產(chǎn)生數(shù)字樣本c[η]。在本示例中，系統(tǒng)20包括單個處理通道，該處理通道包括單個濾波器和單個采樣器。圖2的系統(tǒng)配置是一種示例配置，其純粹是為了概念清晰的目的而被選擇的。在一些替代實施方案中，可以使用任何其他合適的系統(tǒng)配置。例如，在一些實施方案中，系統(tǒng) 20執(zhí)行采樣但不執(zhí)行重構，在該情況下單元32可以被省略。系統(tǒng)20的元件可以用硬件來實現(xiàn)。數(shù)字元件可以用，例如，一個或多個現(xiàn)貨供應的器件、專用集成電路(ASIC)或FPGA來實現(xiàn)。模擬元件可以用，例如，分立部件和/或一個或多個模擬IC來實現(xiàn)。附加地或替代地，一些系統(tǒng)元件可以用運行在合適處理器——例如數(shù)字信號處理器(DSP)——上的軟件來實現(xiàn)。一些系統(tǒng)元件可以用硬件元件與軟件元件的組合來實現(xiàn)。在一個示例實施方案中，系統(tǒng)20用單個器件(例如IC)來實現(xiàn)，其接受模擬脈沖序列作為輸入，并產(chǎn)生脈沖振幅和時間位置作為輸出。當使用可編程處理器來實現(xiàn)所公開的技術時，該處理器通常包括通用處理器，其在軟件中被編程以執(zhí)行本文所描述的功能。該軟件可以以電子形式被下載至該處理器，例如通過網(wǎng)絡，或者可以替代地或附加地被提供和/或存儲在非臨時的有形介質——諸如磁、 光或電存儲器——中。脈沖序列的有效率的采樣所公開的技術可以被用來對模擬脈沖序列進行采樣和重構，該模擬脈沖序列可以是周期性的、非周期性的、有限的或無限的。下面的說明首先針對無限的周期性脈沖序列， 稍后將該技術推廣至其他序列類型?？紤]一個用下式給出的τ周期性脈沖序列
L x(t) = Y^Y^aMt - tt - mr)
mez =1其中h(t)指代一個已知的脈沖形狀，τ指代該信號的已知周期，并且·；……；^ ,
tl e [0，τ),G1^C,I = 1... L指代該脈沖在該周期內(nèi)的未知的時間位置和振幅。從而該信號具有2L個自由度。所公開的技術從最小樣本數(shù)目對x(t)進行采樣和重構。在許多實際場合，x(t) 中的脈沖具有小的時間支持(temporal support)。換言之，信號x(t)僅在一小部分時間上具有非零振幅。如此一來，直接和以均勻間隔對該信號進行采樣很可能會錯過脈沖位置而產(chǎn)生許多零樣本。因此，所公開的技術通常按照合適的濾波，使用均勻或非均勻采樣時間(sampling times)來對該信號進行采樣。令f(t)指代脈沖形狀h(t)的周期性延續(xù)，即/(t) =SmezMt-mT·)。使用泊松的
著名求和公式，f(t)可以被寫成
權利要求
1.一種方法，包括接受包含一脈沖序列的模擬輸入信號；使用濾波器對該模擬輸入信號進行濾波以產(chǎn)生濾波器輸出，該濾波器的時域響應局限于有限時間段，并且該濾波器的頻域響應在頻移Δω的一有限組整數(shù)倍處為非零，且在 Δ ω的所有其他整數(shù)倍處為零；對該濾波器輸出進行采樣以產(chǎn)生數(shù)字樣本；以及基于該數(shù)字樣本來計算該序列中的脈沖的各自振幅和時間位置。
2.根據(jù)權利要求1的方法，其中該濾波器的頻域響應可表示為一個濾波函數(shù)的多個頻移副本的有限和，其中該濾波函數(shù)在頻移Δω的所有整數(shù)倍η· Δ ω處，除了 η = 0外，為零。
3.根據(jù)權利要求2的方法，其中該濾波函數(shù)包括歸一化的正弦函數(shù)。
4.根據(jù)權利要求2的方法，其中該有限和中的頻移副本以各自的權重系數(shù)計權重。
5.根據(jù)權利要求2的方法，其中所述權重系數(shù)被選擇，以在所述數(shù)字樣本被噪聲扭曲時優(yōu)化對振幅和時間位置的估計。
6.根據(jù)權利要求1的方法，其中對輸入信號進行濾波以及對濾波器輸出進行采樣，包括使用包括單個濾波器和單個采樣器的單個處理通道來處理輸入信號。
7.根據(jù)權利要求1的方法，其中計算所述振幅和所述時間位置，包括對所述數(shù)字樣本應用零化濾波器。
8.根據(jù)權利要求1的方法，其中對濾波器輸出進行采樣，包括以均勻隔開的采樣間隔對所述濾波器輸出進行數(shù)字化。
9.根據(jù)權利要求1的方法，其中對濾波器輸出進行采樣，包括以非均勻隔開的采樣間隔對所述濾波器輸出進行數(shù)字化。
10.根據(jù)權利要求1的方法，其中該輸入信號是無限的和周期性的。
11.根據(jù)權利要求1的方法，其中該輸入信號局限于有限時間區(qū)間。
12.根據(jù)權利要求11的方法，其中對該輸入信號進行濾波，包括將該濾波器的兩個或更多個實例的疊加應用至輸入信號，所述兩個或更多個實例在時間上相對于彼此移位了各自倍數(shù)的有限時間區(qū)間。
13.根據(jù)權利要求1的方法，其中該輸入信號中的脈沖局限于短時脈沖串，以使得每個短時脈沖串局限于有限時間區(qū)間，并且其中對該輸入信號進行濾波包括分別在每個短時脈沖串中將該濾波器的兩個或更多個實例的疊加應用至該輸入信號，所述兩個或更多個實例在時間上相對于彼此移位了各自倍數(shù)的有限時間區(qū)間。
14.根據(jù)權利要求1的方法，其中接受該輸入信號包括接收從組織反射的多個超聲回波脈沖，并且包括輸出所述回波脈沖的振幅和時間位置，以基于該振幅和該時間位置診斷該組織。
15.根據(jù)權利要求1的方法，其中接受該輸入信號，包括接收從由以下信號類型組成的組中選擇的至少一種信號類型超聲信號、通信信號、雷達信號、生物信號以及圖像信號，它們載有所述脈沖序列。
16.一種設備，包括輸入接口，其被配置為接受包含一脈沖序列的模擬輸入信號；以及采樣單元，其包括濾波器，該濾波器的時域響應局限于有限時間段，并且該濾波器的頻域響應在頻移Δ ω的一有限組整數(shù)倍處為非零，且在Δ ω的所有其他整數(shù)倍處為零，并且該采樣單元被配置為使用該濾波器對該模擬輸入信號進行濾波以產(chǎn)生濾波器輸出，并對該濾波器輸出進行采樣以產(chǎn)生數(shù)字樣本。
17.根據(jù)權利要求16的設備，其中該濾波器的頻域響應可表示為一個濾波函數(shù)的多個頻移副本的有限和，其中該濾波函數(shù)在頻移Δ ω的所有整數(shù)倍η · Δ ω處，除了 η = 0夕卜， 為零。
18.根據(jù)權利要求17的設備，其中該濾波函數(shù)包括歸一化的正弦函數(shù)。
19.根據(jù)權利要求17的設備，其中該有限和中的頻移副本以各自的權重系數(shù)計權重。
20.根據(jù)權利要求19的設備，其中所述權重系數(shù)可以被選擇，以在所述數(shù)字樣本被噪聲扭曲時優(yōu)化對振幅和時間位置的估計。
21.根據(jù)權利要求16的設備，其中該采樣單元包括單個處理通道，該單個處理通道包括該濾波器和單個采樣器，該采樣器被配置為對該濾波器輸出進行采樣。
22.根據(jù)權利要求16的設備，其中該采樣單元被配置為以均勻隔開的采樣間隔對該濾波器輸出進行采樣。
23.根據(jù)權利要求16的設備，其中該采樣單元被配置為以非均勻隔開的采樣間隔對該濾波器輸出進行采樣。
24.根據(jù)權利要求16的設備，其中該輸入信號是無限的和周期性的。
25.根據(jù)權利要求16的設備，其中該輸入信號局限于有限時間區(qū)間。
26.根據(jù)權利要求25的設備，其中該采樣單元被配置為用該濾波器的兩個或更多個實例的疊加對該輸入信號進行濾波，所述兩個或更多個實例在時間上相對于彼此移位了各自倍數(shù)的有限時間區(qū)間。
27.根據(jù)權利要求16的設備，其中該輸入信號中的脈沖局限于短時脈沖串，以使得每個短時脈沖串局限于有限時間區(qū)間，并且其中該采樣單元被配置為分別在每個短時脈沖串中將該濾波器的兩個或更多個實例的疊加應用至該輸入信號，所述兩個或更多個實例在時間上相對于彼此移位了各自倍數(shù)的有限時間區(qū)間。
28.根據(jù)權利要求16的設備，其中該輸入接口被配置為接收從由以下信號類型組成的組中選擇的至少一種信號類型超聲信號、通信信號、雷達信號、生物信號以及圖像信號，它們載 有所述脈沖序列。
29.根據(jù)權利要求16的設備，還包括重構單元，該重構單元被配置為基于由該采樣單元產(chǎn)生的數(shù)字樣本來計算該序列中的脈沖的各自振幅和時間位置。
30.根據(jù)權利要求四的設備，其中該重構單元被配置為通過對所述數(shù)字樣本應用零化濾波器來計算該振幅和該時間位置。
31.根據(jù)權利要求四的設備，其中所述輸入接口被配置為接收從組織反射的多個超聲回波脈沖，并且其中該重構單元被配置為輸出所述回波脈沖的振幅和時間位置，以基于該振幅和該時間位置診斷該組織。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種脈沖流的低速采樣。一種方法，包括接受包含一脈沖序列的模擬輸入信號。該模擬輸入信號被濾波器濾波以產(chǎn)生濾波器輸出，該濾波器的時域響應局限于有限時間段，并且該濾波器的頻域響應在頻移Δω的一有限組整數(shù)倍處為非零，且在Δω的所有其他整數(shù)倍處為零。該濾波器輸出被采樣以產(chǎn)生數(shù)字樣本?；谠摂?shù)字樣本來計算該序列中的脈沖的各自振幅和時間位置。
文檔編號H03H17/02GK102195617SQ20111006104
公開日2011年9月21日 申請日期2011年3月14日 優(yōu)先權日2010年3月14日
發(fā)明者R·特爾, Y·艾爾達, Z·福德曼 申請人:技術研究及發(fā)展基金有限公司