基于增益可調放大器的低功耗CMOS前端信號檢測研究*

李 錚

(黃山學院信息工程學院，安徽 黃山 245041)

引言

在CMOS場效應管設計過程中，需要構建低功耗CMOS前端信號的檢測模型，結合信號輸出穩定性測試方法，進行低功耗CMOS前端信號的放大處理，提高信號的檢測和識別能力.低功耗CMOS前端信號檢測過程中，受到場效應環境干擾和噪聲因素的影響，導致低功耗CMOS前端信號檢測的準確性不高[1]，需要提升CMOS前端信號輸出性能，相關的低功耗CMOS前端信號檢測放大技術研究受到人們的極大關注[2].

文獻[3]設計了低噪聲放大器、開關電容型增益可調放大器以及逐次逼近型模數轉換器等模塊.并采用低噪聲放大器運放代替傳統儀表放大器.該方法的CMOS前端信號檢測過程較為簡單，但是出現了誤差較大問題.文獻[4]針對CMOS 有源傳感器產生的暗信號隨機電報噪聲(RTS)的特性，提出一種實時自動檢測算法，用以檢測、重建暗信號RTS，并提取噪聲關鍵參數.該方法精度較為客觀，但是檢測結果信噪比偏低.文獻[5]設計了一種薄膜體聲波諧振器.與振蕩電路相結合，獲取多個信號檢測參數度量.該方法理論支持較可靠，但是缺乏實際應用驗證.

本文提出基于增益可調放大器的低功耗CMOS前端信號檢測方法.構建低功耗CMOS前端信號接收模型，采用前饋濾波檢測方法進行低功耗CMOS前端信號的濾波處理，以此提升信號檢測精度.采用自相關波束形成方法進行低功耗CMOS前端信號的輸出集成，實現信號增強，提高信號信噪比.通過所設計的仿真實驗驗證了研究方法在提高低功耗CMOS前端信號檢測能力方面的優越性能.

1 低功耗CMOS前端信號接收模型以及信號預處理

1.1 信號接收模型

為了實現對低功耗CMOS前端信號的智能檢測構建，采用信號處理方法對低功耗CMOS前端信號進行特征提取和信息識別，需要首先構建低功耗CMOS前端信號檢測模型，然后提取低功耗CMOS前端信號的高階統計特征量圖譜，通過梅爾頻率倒譜系數(Mel-Frequency Cepstral Coefficients，MFCC)系數特征分析方法，進行低功耗CMOS前端信號的模糊聚類和特征分析，基于反相雙峰指數模型感知低功耗CMOS前端信號的頻譜特征提取，令低功耗CMOS前端信號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前端信號頻譜分布為ν(t,θ)，即：

(1)

式中，“*”表示復共軛算子.采用自適應波束形成方法，對低功耗CMOS前端信號進行指數性融合，得到輸出的低功耗CMOS前端信號的頻域特征量為：

ν(t,θ)=ωH(θ)x(t)=xH(t)ω(θ)

(2)

式中，“H”表示復共軛轉置；x(t)和ω(θ)分別為低功耗CMOS前端信號的瞬時時域信號分量和加權向量，可以表示為：

(3)

(4)

(5)

結合自適應濾波和盲源分離方法進行低功耗CMOS前端信號的特征分解[6]，得到低功耗CMOS前端信號的模糊度檢測輸出為：

(6)

(7)

以上述信號模型為輸入，構建低功耗CMOS前端信號接收模型，采用前饋濾波檢測方法進行低功耗CMOS前端信號的濾波處理[8].

1.2 信號濾波和增益可調放大處理

采用高分辨的信號特征分解技術進行低功耗CMOS前端信號的增益放大和特征分離，采用圖1所示的濾波器進行增益可調放大器.

圖1 增益可調放大器

在增益可調放大器中對接收數據做非線性處理，低功耗CMOS前端信號匹配濾波檢測的帶寬參數為θ1(k)，受到低功耗CMOS前端信號輸入的信號強度的影響，檢測的目標向量為y(k)y*(k)，這里“*”代表復共軛，低功耗CMOS前端信號的濾波檢測傳遞函數為：

θ1(k+1)=θ1(k)-μRe[y(k)φ*(k)]

(8)

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

(9)

其中

(10)

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

2 信號檢測輸出

2.1 信號特征分解

采用自相關波束形成方法進行低功耗CMOS前端信號的輸出集成，實現信號增強[10]，將實信號s(t)轉變為復信號z(t)的形式，得到低功耗CMOS前端信號檢測的尺度分解輸出為：

(11)

在多個干擾成分下，對低功耗CMOS前端信號進行自適應匹配濾波檢測，提高了輸出信號的聚焦能力，對低功耗CMOS前端信號進行匹配濾波處理，去除干擾噪聲[11]，進行低功耗CMOS前端信號的概率密度特征估計，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前端信號的頻譜正頻部分和相位，采用波束自適應聚焦方法，得到低功耗CMOS前端信號的傳遞函數為：

(13)

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

(14)

采用相關頻譜檢測方法，得到低功耗CMOS前端信號的特征分解結果，實現信號的優化檢測[12].

2.2 信號增強輸出及增益放大

采用自相關波束形成方法進行低功耗CMOS前端信號的輸出集成，實現信號增強，優化限幅輸出為：

(i=1,2,…,d;m=1,2,…,M)

(15)

式中

(16)

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

(17)

(18)

采用置零器和削波器群進行低功耗CMOS前端信號的穩定性控制，輸出為：

(19)

根據信號增強輸出結果進行增益可調放大處理，構建增益可調放大器，實現低功耗CMOS前端信號檢測優化，輸出為：

(20)

信號在脈沖型噪聲中的檢測誤差為e(n)，可將上式化簡可得：

(21)

利用自相關波束形成方法對低功耗CMOS前端信號輸出集成，實現信號增強.在多個干擾成分下，對低功耗CMOS前端信號進行自適應匹配濾波檢測，采用相關頻譜檢測方法，得到前端信號的特征分解結果，實現信號的優化檢測.

3 仿真測試分析

為了驗證本文方法在實現低功耗CMOS前端信號檢測中的應用性能，進行仿真實驗，實驗仿真平臺采用Matlab 7 ，對低功耗CMOS前端信號的采樣頻率為120 KHz，信號的采樣幅值為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，可調放大器的階數為7，平均測度為4，根據上述仿真環境和參數設定，進行低功耗CMOS前端信號檢測，得到接收到的CMOS前端信號如圖2所示.

以圖2 的采集信號為輸入信號樣本，根據信號增強輸出結果進行增益可調放大處理，構建增益可調放大器，實現低功耗CMOS前端信號檢測優化，得到檢測輸出如圖3所示.

圖2 接收到的CMOS前端信號 圖3 信號檢測輸出

分析圖3數據，以文獻[3]方法和文獻[4]方法作為實驗對照組，對比三種方法的低功耗CMOS前端信號檢測精度，實驗結果如下：

由圖4的實驗對比結果可知，在實驗的80次迭代下，兩種傳統方法的準確率一直處于波動狀態.相比之下，研究方法的準確率更為穩定，且準確率數值一直保持在更高水平.

圖4 檢測準確率對比

為進一步驗證研究方法的有效性，對不同方法的信號檢測信噪比進行實驗.測試信號輸出信噪比，得到對比結果見表1.分析表1數據得知，研究方法進行低功耗CMOS前端信號檢測的輸出信噪比較高，說明研究方法的應用性能更優，在實際應用中具有明顯優勢.

表1 輸出信噪比 dB

4 結語

針對傳統低功耗CMOS前端信號檢測存在的缺陷，提出基于增益可調放大器的低功耗CMOS前端信號檢測方法.采用前饋濾波檢測方法進行低功耗CMOS前端信號的濾波處理，利用自相關波束形成方法進行低功耗CMOS前端信號的輸出集成，實現了信號增強，并實現低功耗CMOS前端信號檢測優化.根據仿真實驗結果分析可知，研究方法進行低功耗CMOS前端信號檢測的輸出準確性較好，信號輸出的信噪比較高，具有更好的應用前景.