[发明专利]具有高时间精度的用信号检测阈值跨越瞬间的方法

说明书

技术领域

本发明涉及由电子装置利用电信号对阈值跨越瞬间（threshold crossing instant）的检测。具体地，本发明涉及能够以高时间精度检测以数字形式转换的电信号的阈值跨越瞬间的方法和装置。

背景技术

在许多电子系统中，必须检测电信号跨越阈值电平（threshold level）或阈值的瞬间。

在不同应用范围中，阈值跨越可以代表不同事件：例如，其可以与数字逻辑电平的变化相关，或者其可以将信号“不存在”（off）的条件与信号“存在”（on）的条件相区分，反之亦然。

具体地，对于具有单调前沿或后沿（leading or trailing edge）的电信号，阈值的跨越瞬间可以表示信号的“到达时间”（TOA）或“传送时间”（TOT）。

TOA和TOT的这种定义在相关技术领域中是公知的，特别是在信号的到达时间或传输时间对其至关重要的系统环境下：例如，在用于雷达信号的接收和发送系统中，或者在定位（诸如GPS系统）或同步系统中，这是确切的。

应当注意的是，在这些系统中，对于检测必须是时间上精确的，即，其应当在相对于例如由模拟接收器在物理上接收到信号的瞬间具有已知的具有高精度和高稳定性固定延迟的瞬间中发生。换句话说，用于检测到达时间的系统需求不太涉及检测的瞬时性，而是涉及检测的时间精度。

从数学观点来看，可将例如阶跃或脉冲形式的信号的到达时间定义为其前沿跨越取决于信号自身最大振幅的阈值的瞬间，其中，可以线性标度（scale）或对数标度来定义阈值。典型地，为便于检测，选择信号的时间导数很高或甚至最大处的电平作为阈值。

例如，在线性表示中，经常选择相当于最大信号振幅的50%的水平作为阈值水平，而在对数表示中其相当于设定在相对于能达到的最大峰值的-6dB处的水平。

在上述实例中，若事先不知道最大信号振幅，则不可能立即确定阈值跨越；在该情况下，需要一种模拟或数字形式的信号记录，其允许评估信号振幅，并从而计算阈值（在该实例中，相当于振幅的50%），确定信号跨越该阈值的瞬间以及发出相对于到达时间具有固定且已知的延迟的到达时间检测信号。

因此，在该实例中，用于确定信号达到时间的已知方法包括：检测信号峰值（即，能达到的最大振幅），将该峰值除以2（即，将其衰减6dB）以生成恒定的减半峰值信号，并将该恒定的减半峰值信号与滞后了T0延迟的原始信号相比较，而该T0延迟至少等于由信号从其峰值电平的50%上升至100%所用的时间。

减半峰值信号与原始迟滞信号之间的第一跨越发生在原始迟滞信号的峰值电平的50%（即，在-6dB）处。在该跨越发生的瞬间生成到达时间的检测信号或“触发器”，其中，触发器与具有与影响信号的延迟T0相等的延迟的到达时间同步。

可由模拟电子装置来实施上述方法。然而，在该情况下，到达时间的检测精度与所使用的模拟电路的噪声和热漂移特性有关。

实际上，因为由上述原因引起的精度限制，模拟检测法使用的越来越少。此外，该方法的模拟特性不允许具有数值结果和输出，因此其不能用于时下占主流的数字电子装置领域。

为此，现有技术水平正展望将上述用于确定到达时间的同样功能的方法转换为可通过数字电路（具体可以是FPGA（现场可编程门阵列）电路）实施的数学算法。为此，采用模数转换器（ADC）来获取输入信号，并通过数值计算来执行所有以下处理。

让我们这样考虑用于检测到达时间的，或者更一般地，用于通过电信号来检测阈值跨越瞬间的所述数字方法。

由于其数字特性，所述方法本质上表现出时间离散，这限制了在检测中可以获得的精度。

实际上，用来确定阈值跨越瞬间的分辨率和由此而得的精度从属于系统时钟的选择，而选择实际上受限于用于实施该方法的电子装置的严格设计要求。理想地，以非常高的频率（因此具有非常短的时钟周期）工作的时钟将确保好的分辨率，但也将导致与实际解决方案不兼容的电路复杂性、信号完整性问题、能耗以及成本问题。

另一方面，具有与所考虑范围兼容的成本和复杂性的时钟（例如，具有10ns量级的时钟周期）的使用限制了检测阈值跨越瞬间的时间分辨率：该分辨率的数量级与时钟周期可比拟。结果，与时钟周期可比拟的检测误差容限可能对于许多应用（诸如已经提到的用于雷达或用于GPS定位器的接收和发送系统）不尽人意。

本发明的目的在于设计并提供一种以这样一种方式进行改善的用于通过电信号来检测阈值跨越瞬间的方法和装置，其中，至少部分避免了上述关于现有技术的缺陷。