专利名称：一种转置型可精确还原信号的模数及数模转换方法
技术领域：
本发明属于模数转换及数模转换领域，具体涉及一种转置型模拟数字转换和数字 模拟转换方法。
背景技术：
连续变化的模拟信号，由无穷多个无限靠近的连续样点组成，每个样点都有确定 的时间t和电压U。模数转换的核心，就是在无穷多个信号样点中，提取有限个可以用数字 量表达的样点，以近似描述原始的模拟信号。提取样点，必须确定该样点的两个量时间量 化值和电压量化值。传统的模数转换方法，以固定的采样时间间隔At对模拟信号进行采样，对采样 时刻的电压值进行量化并记录。其最终的转换结果，是一个电压量化值序列Y= [Yo，Y1, Y2,……Yi,……YJ，而各样点的时间量化值，以Ti = iXAt计算获得，形成无需记录的 默认序列T= [[T0,T1,T2,……Ti,……Tm]。因此，其核心思路是，以事先规定的等时间间 隔At，在iX At时刻，对模拟信号电压值进行量化并记录，是已知时间，量化并记录电压 的方式。相应的，传统的数模转换方法，就是在规定的i X Δ t时刻，将记录的数字量序列Y =[Y0J1, Y2,……Yi,……YJ，依序用对应的模拟量发出。本方法与传统方法正好相反，是已知电压，量化并记录时间的方式，因此称之为转 置型方法。这种方法同样可以实现模数转换，也可以实现数模转换。与传统方法相比，本方 法带来的最大好处是，它所获得的样点位置，与被测的模拟信号密切相关信号变化频繁也 就是信息量丰富的区域，它获得的样点较多，而信号变化缓慢也就是信息量较少的区域，它 获得的样点较少。这种更加合理的样点分布，几乎不产生任何数据冗余，会大幅度提高数字 量记录的效率
发明内容
本发明的目的是提供一种转置型可精确还原信号的模数转换及数模转换方法，
为了达到以上目的，本发明是采用如下技术方案予以实现的
一种转置型可精确还原信号的模数转换及数模转换方法，其特征在于包括如下步骤
(1)把输入的被测信号U的幅值范围[Umin，UfflaJ平均分成M个电压间隔相等的区域A0 .Λ . λμ-Ι .
A0 :Umin<u <Umin+AU
A1 :Ufflin+AU<u<Ufflin+2AU
An:Ufflin+nAU<u<Ufflin+(n+l)AU
Am^1 =Ufflin+(M-I) AU< u < Ufflax ；其中AU= (Umax-Umin)/M, M 为正整数，η < M ；(2)设上述Atl Ash区域中的某个区域An，作为整个模数转换的起始区域，其余区 域为非起始区域；(3)开始模数转换时，启动一个高速计时器Timer ；(4)当被测输入信号由一个区域进入它上方的相邻区域，称为上交越事件，交越方 向d= 1 ；当被测输入信号由一个区域进入它下方的相邻区域，称为下交越事件，交越方向d =-1 ；定义上交越事件和下交越事件的合集为交越事件；(5)在t-U坐标系中，任意样点Pi表示为PiUi, Ui),其中的、来自步骤(3)所述 的Timer，第一个样点为起始样点，由PQ(tQ，U0)表示；(6)确定第一个样点Ptl:当开始模数转换后，被测信号第一次由非起始区域进入起始区域，或者由起始区 域进入非起始区域，视为起始交越事件，此时由Timer产生的时间信息被记做、，起始交越 事件的交越方向记做Cltl ；d0 = 士 1 ；设一个状态量PS，表示开始转换时被测信号是否在起始 区域An内当开始转换时被测信号在An内，则PS = 1 ；当开始转换时被测信号不在An内， 则PS = -1 ；由此，第一个样点电压的公式为U0 = Umin+ [n+0. 5+(I-PS) d。/2] XAU根据tQ、U0获得第一个样点P0 ；(7)起始样点Ptl后，每发生一次步骤⑷所述的交越事件，即从步骤(3)所述的 Timer读取并记录该事件发生的时刻ti;并对交越事件类型进行记录，即交越方向(Ii ；(8)起始样点Ptl后，交越事件持续发生m次，m为正整数，就可以获得两组长度均 为m+1的数字量序列，第一组为时刻序列ti;其格式为“V t1;……ti;……I1，tm，”；第 二组为交越方向序列屯，其格式为“屯，屯，……Cli,……(Vpdm，”，这两组序列即为本方法 的模数转换结果，由所述的两组序列，用递推的方法唯一计算获得能够表示被测信号u的 多个样点Ptl到Pm，各个样点的表达式如下P0(t。，U。)，其中 U。= Umin+ (n+0. 5+(I-PS) d。/2) X AUP1 U1 ,U1),其中 U1 = UJd1AU;P2 (t2，U2)，其中 U2 = U^d2 Δ U ；......PiUi, Ui),其中 Ui = Ui-^diAU;......Pm(tm，Um)，其中 Uffl = UmAU15(9)按照步骤⑶所述的两组序列(t。，、，……ti;……I1Am，)和(屯，屯，…… φ,……C^1，dm，)，结合步骤(1)、(2)中已经设定的Umax、Umin, Μ、η,以及表述开始转换时被 测信号起始所处位置的状态量PS，使用步骤(8)所述的样点表达式，可以唯一恢复被测信 号，即可实现数模转换。上述方法中，步骤(2)所述起始区域An取相对整个等间隔区域A0 Αμ_「居中的 某个区域。本发明模数转换方法最终的数字量不再是传统模数转换中的电压量化值，而是由两组相同长度的数字量序列组成第一组是时间量化值，第二组是方向值。通过该方法获得 的样点分布与被测模拟信号的幅值变化情况密切相关信号变化频繁含有较多信息量的部 分，获得较多的样点，而信号变化缓慢含有较少信息量的部分，获得较少的样点，其样点分 布更加合理，有效的减小了数据冗余。此外，本发明方法的一个突出优点在于，将样点放置 在AU的中间位置，在数模转换中，其形成的模拟量输出将始终围绕着原始模拟信号，避免 了数模转换的模拟量滞后于原始模拟信号的问题，因此可以实现对原始模拟信号的精确还 原。
以下结合附图及具体实施方式
对本发明作进一步的详细描述。
图1是传统模数转换方法的样点获取示意图。图2是本发明模数转换方法的样点获取示意图(开始模数转换时，被测信号不在 起始区域内)。图3是本发明模数转换方法的样点获取示意图(开始模数转换时，被测信号在起 始区域内)。图4是本发明的数模转换结果。
具体实施例方式一种转置型可精确还原信号的模数转换及数模转换方法，包括如下步骤(1)把输入的被测信号U的幅值范围[Umin，UfflaJ平均分成M个电压间隔相等的区 域A0 Ash A0 =Ufflin < u < Ufflin+ (Umax-Umin) /MA1 =Ufflin+ (Umax-Umin) /M < u < Umin+2 (Umax-Umin) /M......An :Ufflin+n (Umax-Umin) /M < u < Ufflin+ (n+1) (Umax-Umin) /M......Ash =Ufflin+ (M-I) (Umax-Umin) /M < u < Ufflax ；其中M为正整数，η < M，为方便表述，定义Δ U = (Umax-Umin) /M ；(2)设上述区域中的某个区域An，作为整个模数转换的起始区域，其余区域称为非 起始区域。其中An可以是Atl Ash中的任意一个区域。一般可以将An设为相对居中的某 个区域。(3)开始模数转换时，启动一个高速计时器Timer。(4)当被测输入信号由一个区域进入它上方的相邻区域，称为上交越事件，交越方 向d= 1 ；当被测输入信号由一个区域进入它下方的相邻区域，称为下交越事件，交越方向d =-1 ；定义上交越事件和下交越事件的合集为交越事件；(5)在t-U坐标系中，任意样点Pi表示为PiUi, Ui),其中的、来自步骤(3)所述 的Timer，第一个样点，即起始样点由PQ(tQ，U0)表示。(6)确定第一个样点Ptl 分为两种情况，分述如下第一种情况如图2所示，当开始模数转换时，被测信号不在起始区域内当被测信号第一次由步骤(2)所述的非起始区域进入起始区域，视为起始交越事件，这个时刻由 Timer产生的时间信息被记做、；起始交越事件的交越方向记做(Itl，由此获得第一个样点 Po。该情况下，U0 = Umin+(n+0. 5) X AU0第二种情况如图3所示，当开始模数转换时，被测信号在起始区域内当被测信号 第一次由步骤(2)所述的起始区域进入非起始区域，视为起始交越事件，这个时刻由Timr 产生的时间信息被记做、；起始交越事件的交越方向记做Cltl，由此获得第一个样点Ptlt5该情 况下，U0 = Umin+(n+d0+0. 5) X AU0综合第一和第二种情况，设一个状态量PS，表示开始转换时被测信号是否在起始 区域An内当开始转换时被测信号在An内，则PS = 1 ；当开始转换时被测信号不在An内， 则 PS = -1。由此，本方法中确定第一个样点电压的公式为U0 = Umin+[n+0. 5+(I-PS) d0/2] XAU 公式(1)(7)起始样点Ptl后，每发生一次步骤⑷所述的交越事件，即从步骤(3)所述的 Timer读取并记录该事件发生的时刻ti;并根据步骤(4)所述，对交越事件类型进行记录， 即交越方向di;(8)起始样点Ptl后，交越事件持续发生m次，m为正整数，就可以获得两组长度均 为m+1的数字量序列，第一组为时刻序列ti;其格式为“V t1;……ti;……I1，tm，”；第 二组为交越方向序列屯，其格式为“屯，屯，……Cli,……CUdm，”，由所述的两组序列，用递 推的方法唯一计算获得能够表示被测信号u的多个样点Ptl到Pm，各个样点的表达式如下P。(t。，U。)，其中 U0 = Umin+[n+0. 5+(1-PS) d。/2] X AUP1 U1 ,U1),其中 U1 = UJd1AU;P2 (t2，U2)，其中 U2 =仏+(12 Δ U ；......Pi Ui，Ui)，其中 Ui = UiJdi Δ U ；......Pm(tm，Um)，其中 Uffl = UmAU15(9)步骤(8)所述的两组序列(t0, ti;……ti;……V1, tm，)和(d0, d1，…… φ,……《_”《，)即为本发明所要获得的模数转换结果，结合步骤(1)、(2)中已经设定的 量Umax、Umin、M、n，以及表述开始转换时被测信号所处位置的状态量PS，使用步骤(8)所述的 样点表达式，可以唯一恢复被测信号，即可实现数模转换。图4是本发明转置型可精确还原信号的转换方法的数模转换结果，其数模转换输 出用粗黑线表示。可以看出，其最终形成的数模转换输出，总是围绕着原始输入模拟信号 无论原始模拟信号是上升还是下降，数模转换输出总是围绕着原始输入模拟信号，这种台 阶状的数模转换输出，经过滤波平滑后，不会滞后也不会超前于原始输入信号，有利于精确 还原信号。
权利要求
一种转置型可精确还原信号的模数及数模转换方法，其特征在于包括如下步骤(1)把输入的被测信号u的幅值范围[Umin，Umax]平均分成M个电压间隔相等的区域A0～AM 1A0Umin＜u＜Umin+ΔUA1Umin+ΔU＜u＜Umin+2ΔU……AnUmin+nΔU＜u＜Umin+(n+1)ΔU……AM 1Umin+(M 1)ΔU＜u＜Umax；其中ΔU＝(Umax Umin)/M，M为正整数，n＜M；(2)设上述A0～AM 1区域中的某个区域An，作为整个模数转换的起始区域，其余区域为非起始区域；(3)开始模数转换时，启动一个高速计时器Timer；(4)当被测输入信号由一个区域进入它上方的相邻区域，称为上交越事件，交越方向d＝1；当被测输入信号由一个区域进入它下方的相邻区域，称为下交越事件，交越方向d＝ 1；定义上交越事件和下交越事件的合集为交越事件；(5)在t U坐标系中，任意样点Pi表示为Pi(ti，Ui)，其中的ti来自步骤(3)所述的Timer，第一个样点为起始样点，由P0(t0，U0)表示；(6)确定第一个样点P0当开始模数转换后，被测信号第一次由非起始区域进入起始区域，或者由起始区域进入非起始区域，视为起始交越事件，此时由Timer产生的时间信息被记做t0，起始交越事件的交越方向记做d0；d0＝±1；设一个状态量PS，表示开始转换时被测信号是否在起始区域An内当开始转换时被测信号在An内，则PS＝1；当开始转换时被测信号不在An内，则PS＝ 1；由此，第一个样点电压的公式为U0＝Umin+[n+0.5+(1 PS)d0/2]×ΔU根据t0、U0获得第一个样点P0；(7)起始样点P0后，每发生一次步骤(4)所述的交越事件，即从步骤(3)所述的Timer读取并记录该事件发生的时刻ti，并对交越事件类型进行记录，即交越方向di；(8)起始样点P0后，交越事件持续发生m次，m为正整数，就可以获得两组长度均为m+1的数字量序列，第一组为时刻序列ti，其格式为“t0，t1，……ti，……tm 1，tm，”；第二组为交越方向序列di，其格式为“d0，d1，……di，……dm 1，dm，”，这两组序列即为本方法的模数转换结果，由所述的两组序列，用递推的方法唯一计算获得能够表示被测信号u的多个样点P0到Pm，各个样点的表达式如下P0(t0，U0)，其中U0＝Umin+(n+0.5+(1 PS)d0/2)×ΔUP1(t1，U1)，其中U1＝U0+d1ΔU；P2(t2，U2)，其中U2＝U1+d2ΔU；……Pi(ti，Ui)，其中Ui＝Ui 1+diΔU；……Pm(tm，Um)，其中Um＝Um 1+dmΔU。(9)按照步骤(8)所述的两组序列(t0，t1，……ti，……tm 1，tm，)和(d0，d1，……di，……dm 1，dm，)，结合步骤(1)、(2)中已经设定的Umax、Umin、M、n，以及表述开始转换时被测信号起始所处位置的状态量PS，使用步骤(8)所述的样点表达式，可以唯一恢复被测信号，即可实现数模转换。
2.如权利要求1所述的转置型可精确还原信号的模数转换方法，其特征在于步骤(2) 所述起始区域An取相对整个等间隔区域Atl Ash-居中的某个区域。
全文摘要
本发明公开了一种转置型可精确还原信号的模数转换及数模转换方法。其特征在于把模拟信号变化区域均分为若干个大小相等的连续的小区域，通过记录被测模拟信号从一个电压区域变化到相邻电压区域所经历的时间以及变化方向来描述被测模拟信号的变化信息，从而实现模拟到数字的转换。根据模数转换获得的时间序列和方向序列，可唯一恢复被测信号，实现了数字到模拟的转换。本发明提供的模拟数字转换的方法在样点获取上与被测信号的幅值有密切关系，因此能够最大化捕捉输入信号的幅值特征，具有较小的信息冗余。另外，本发明在数模转换中可以实现输出模拟量始终围绕着原始模拟信号，可以精确还原模拟信号。
文档编号H03M1/02GK101931407SQ20101026825
公开日2010年12月29日 申请日期2010年8月31日 优先权日2010年8月31日
发明者周旺, 杨建国, 郑斌 申请人:西安交通大学