用于遥测模拟信号的节能系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于模拟信号采集和将模拟信号转换为可以通过传输线发送至接收器的数字形式的技术领域。更加具体地，本发明属于对长期采集模拟信号(尤其是时变信号)有用的节能系统。
[0002]技术问题
[0003]本发明解决的第一个技术问题是，构造用于遥测和可靠测量以异步方式传输至接收单元的多个模拟信号的节能系统。如本文中使用的，节能系统具有以下含义:测量单元能够长时间测量和传输测量值，其中，时间是以几个月或几年的运行来测量的，而不改变内置电源或微型能量收集装置。遥测意味着可以无线地或者经由传输线将测量信息传输至接收单元。在形成被传输信号的过程期间实现节能，即，在形成携带有测量信息的超宽带宽(UWB)信号的过程中未使用数字信号处理器或计算装置。此外，系统不需要内部时钟或计数模块便可稳定地运行，极大地节省了能量消耗。
[0004]本发明解决的第二个技术问题是，可以与一个接收单元一起运行的测量单元的数量在理论上可以非常大，这是因为测量单元的传输在这些测量单元之间或者与接收单元之间缺乏相关性。
[0005]本发明解决的第三个技术问题是，当测量时变信号(S卩，诸如ECG(心电图)或EEG(脑电图)电信号等生物信号)时，测量单元能够进行长期运行。
【背景技术】
[0006]考虑到数据采集领域的重要性，本领域的先前状态对于前述技术问题所提出的解决方案极其丰富。
[0007]Shuang Su于2011年在匹兹堡大学的硕士论文文件“Asynchronous SignalProcessing for Compressive Data Transmiss1n，，，http://d-scholarship.pitt.edu/8363/，讲授了一种对于采集数字形式的生物数据有用的节能进程，而不使用高频采样器。对数据进行压缩，以便使传输局限于重要的信号部分。该进程使用异步西格玛德尔塔调制器(ASDM)结合时间数字转换器(TDC)来获取经由正交频分复用(OFDM)传输的二进制数据。该文件使用连接至用于宽带数字通信-OFDM的流行结构的ASDM。然而，OFDM结构需要极大计算功率，这不可避免地会导致比本发明更高的极大功率消耗。该文件对于在本发明中通过内置在测量单元中的延迟电路实现的可能的多用户系统没有任何记载。考虑到所公开系统的性能是通过使用EEG信号来图示的这一事实，所以该文件形成了本领域中最接近的文件。
[0008]Quek, T.Q.S.、Win, Μ.Ζ.于2005年9月发表在ffiEE杂志第23卷第9期第1862、1874 页的所选通信领域上的文件 “Analysis of UffB transmitted-referencecommunicat1n systems in dense multipath channels，，，do1: 10.1109/JSAC.2005.853809，讲授了传输参考(TR)信令，其结合自相关接收器(AcR)为UWB系统中的多离多径接收提供低复杂度替代方案。本发明利用了经由内置在各个测量单元中的延迟电路形成的传输参考信令。
[0009]Ekbal A.等人的文件 WO 2008/061245 A2 “Multiple access techniques for awireless communicat1n medium”讲授了在UWB传输中用于信道编号的TR，见第0050段。然而，仔细阅读同一文件的第0008段和第0009段会发现，TR脉冲与数据脉冲没有相关性。在本发明中，TR是随时间转变的数据信号。这也是本发明的关键所在。
[0010]Lazar A.A.j 和 Toth L.T.的文件 US 7, 573, 956 B2 “Time Encoding andDecoding of a Signal ” 讲授了多种时间编码 / 解码机(TEM/TDM)。在 US 7, 573,956 B2中，将TEM选择为整合和激发调制器(IAFM)，据此用作替代先前提到的异步西格玛德尔塔调制器(ASDM)。该文件对于在本发明中通过内置在测量单元中的延迟电路实现的可能的多用户系统也没有任何记载。
[0011]de Boer R.W.于1985年在阿姆斯特丹大学医学院的博士论文文件“Beat-to-beatblood-pressure fluctuat1ns and heart—rate variability in man:-phys1logicalrelat1nships, analysis techniques and a simplemodel，，，http://dare.uva.nl/record/367551，在第四章第65-78页讲授了一系列点事件的光谱，该光谱由积分脉冲频率调制器(IPFM)生成，该IPFM是与在上面引用的文件US 7，573，956中定义的整合和激发调制器(IAFM)相同的电路。
[0012]据此用作替代先前提到的异步西格玛德尔塔调制器(ASDM)以及整合和激发调制器(IAFM)的积分脉冲频率调制器(IPFM)可以在剑桥大学出版社1995年出版的HorowitzP.的书“Art of Electronics”第二版第9.20章节第625页中找到，并且其讲授了单斜率模数转换器，该单斜率模数转换器是先前提到的积分脉冲频率调制器(IPFM)。
【发明内容】
[0013]本发明公开了一种节能系统，系统用于遥测模拟信号，系统包括一个或多个测量单元和对应的接收单元。各个测量单元包括:模拟输入；调制器，其将输入信号转换为数字脉冲系列；延迟电路；UWB脉冲发生器，其直接或经由辅助放大器连接至天线或传输线；以及电源。
[0014]接收单元包括:传输线；低噪音放大器；至少一个单极脉冲检测器，其可以是正脉冲检测器或者负脉冲检测器。一个单稳多谐振荡器跟随各个脉冲检测器。接收单元还包括数字信号处理装置和电源。
[0015]所有测量单元均具有选自由以下调制器组成的时间编码机家族的相同调制器:异步西格玛德尔塔调制器(ASDM)、整合和激发调制器(IAFM)以及积分脉冲频率调制器(IPFM)。所有测量单元均使用调谐为互相不同的延迟时间τ?的延迟电路，延迟时间Ti由在接收单元中的信号处理装置用于区分第i个测量单元。第i个测量单元的各个UWB脉冲发生器由调制器生成的数字脉冲系列以及通过对应的延迟电路使得延迟了时间Ti的该系列相同脉冲触发。来自延迟电路的信号可选地反馈回调制器。
[0016]接收单元具有带解调器的数字信号处理装置，解调器与预先选择类型的调制器兼容。数字信号处理装置配备有至少一组带延迟时间Ti的相同延迟电路，延迟时间Ti与由测量单元使用的一组延迟时间相对应。数字信号处理装置根据延迟时间Ti提取从测量单元接收到的信号，延迟时间τ i是脉冲长度的形式，能够用于进一步处理成模拟或数字?目息O
[0017]如果所有测量单元的所选调制器均是异步西格玛德尔塔调制器(ASDM)，那么接收单元包括:正脉冲检测器和负脉冲检测器，该正脉冲检测器和负脉冲检测器连接至低噪音放大器的输出，并且随后是对应的单稳多谐振荡器和两组调谐为不同的延迟时间τ i的延迟电路，延迟时间Ti与数字信号处理装置内的测量单元使用的延迟时间相对应。其中一组连接至专门检测正脉冲的分支并且另一组延迟电路连接至专门检测负脉冲的分支。至第i个ASDM解调器的输入由来自两个分支的原始信号组成，原始信号之前乘以它们的延迟了延迟时间τ i的对应信号。
[0018]如果所有测量单元的所选调制器均是整合和激发调制器(IAFM)或者积分脉冲频率调制器(IPFM)，那么接收单元包括:单极脉冲检测器，其连接至低噪音放大器的输出，并且随后是单稳多谐振荡器和唯一一组在数字信号处理装置内调谐为不同延迟时间Ti的延迟电路。至第i个IAFM解调器或IPFM解调器的输入由原始信号组成，原始信号之前乘以它们的延迟了所述延迟时间Ti的对应信号。
[0019]由测量单元中的UWB脉冲发生器生成的信号经由天线进行无线传输或者经由传输线传输，其中，各个测量单元的传输以与相同系统内的其他测量单元非同步化的方式执行。接收单元通过以下元件接收信号:天线、传输线或者由天线和传输线组成的混合类型。
[0020]各个测量单元的电源可以是集成到微型能量收集装置中的电池或者微型能量收集装置。
[0021]所提出的系统对模拟信号(诸如，生物信号)，更加具体地诸如ECG或EEG等时变生物信号的长期采集有用。
【附图说明】
[0022]本发明经由一系列附图来呈现。
[0023]图1示出了测量单元的总体结构。
[0024]图2A示出了具有实施为时间编码机的ASDM的测量单元；图2B示出了所使用的ASDM调制器的变型，以及图2C示出了由图2A和图2B呈现的电路进行的对应信号处理。在所使用的ASDM内执行反馈。
[0025]图3A示出了具有作为时间编码机的实施的ASDM的测量单元；图3B示出了所使用的ASDM调制器的变型，以及图3C示出了由图3A和图3B呈现的电路进行的对应信号处理。从延迟电路提取用于所使用的ASDM的反馈信号。
[0026]图4A示出了具有实施为时间编码机的IAFM的测量单元；图4B示出了所使用的IAFM调制器的变型，以及图4C和图4D对应地示出了，当VDC = O和VDC = VCC时，由图4A和图4B呈现的电路进行的对应信号处理。在所使用的IAFM内执行反馈。
[0027]图5A示出了具有实施为时间编码机的IAFM的测量单元；图5B示出了所使用的IAFM调制器的变型，以及图5C和图对应地示出了，当VDC = O和VDC = VCC时，由图5A和图5B呈现的电路进行的对应信号处理。从延迟电路提取用于所使用的IAFM的反馈信号。
[0028]图6A示出了具有实施为时间编码机的IPFM的测量单元；图6B示出了所使用的IPFM调制器的变型，以及图6C和图6D对应地示出了，当[c = I ;Sref= O]和[c = 1/2 ;Sref=Vcc/2]时，由图6A和图6B呈现的电路进行的对应信号处理。在所使用的IPFM内执行反馈。
[0029]图7A示出了具有实施为时间编码机的IPFM的测量单元；图7B示出了所使用的IP