用于具有有限創(chuàng)新速率的可變脈沖寬度信號(hào)的分析和重構(gòu)的系統(tǒng)和方法
【專利摘要】本發(fā)明描述用于界定和參數(shù)化含有不同寬度的脈沖的信號(hào)或系統(tǒng)響應(yīng)的系統(tǒng)和方法。參數(shù)可界定所述信號(hào)，且因此可等同于原始信號(hào)的經(jīng)壓縮版本。所述參數(shù)作為所述信號(hào)的經(jīng)壓縮版本的存儲(chǔ)需要較少存儲(chǔ)空間，從而使信號(hào)的存儲(chǔ)更具存儲(chǔ)器效率。
【專利說(shuō)明】用于具有有限創(chuàng)新速率的可變脈沖寬度信號(hào)的分析和重構(gòu) 的系統(tǒng)和方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及用于界定和參數(shù)化信號(hào)或系統(tǒng)響應(yīng)的模型，以及用于分析信號(hào)和系統(tǒng) 響應(yīng)以確定這些參數(shù)的方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 信號(hào)參數(shù)化廣泛用于信號(hào)處理、存儲(chǔ)、發(fā)射和分析中。允許最常見(jiàn)的是尼奎斯特 (Nyquist)速率取樣的使用，其中通過(guò)離散時(shí)間處的一組經(jīng)取樣信號(hào)值來(lái)表示連續(xù)時(shí)域信 號(hào)。只要原始連續(xù)信號(hào)帶限于取樣速率的至多一半，就可使用所述組樣本，通過(guò)使用例如正 弦內(nèi)插算法來(lái)重構(gòu)完整信號(hào)。在此常見(jiàn)實(shí)例中，信號(hào)由一組離散參數(shù)、所述樣本值（其可存 儲(chǔ)、發(fā)射且在任何時(shí)間用來(lái)完整地重構(gòu)原始信號(hào)）表示。
[0003] 最近，已以其它方式參數(shù)化有實(shí)際意義的一些非帶限信號(hào)。盡管這些信號(hào)可含有 任意大的頻率分量，但所述信號(hào)由限制每單位時(shí)間的"創(chuàng)新速率"的特性模型化，使得所述 信號(hào)可用可從中重構(gòu)原始信號(hào)的有限一組值來(lái)參數(shù)化。待解決的問(wèn)題那么是如何從原始信 號(hào)得出合適的一組參數(shù)值，以及如何顛倒僅使用得出的參數(shù)來(lái)重構(gòu)完整信號(hào)的過(guò)程。基于 有限創(chuàng)新速率（FRI)的信號(hào)分析的現(xiàn)有技術(shù)是一種分析信號(hào)的此類方法，且在以下參考中 描述：[1]M.維特利（M. Vetterli)、P.瑪澤里阿諾（P. Marziliano)、T.布魯（T. Blu)，"具有 有限創(chuàng)新速率的取樣信號(hào)（Sampling Signals with Finite Rate of Innovation) ", IEEE 信號(hào)處理學(xué)報(bào)，第50卷，第6期，第1417到1428頁(yè)，2002年6月;[2] T.布魯、P. L.德拉古蒂 (P. L. Dragotti)、M.維特利、P.瑪澤里阿諾和L.卡洛特（Coulot)，"信號(hào)創(chuàng)新的稀疏取樣： 理論、算法和性會(huì)泛界限（Sparse Sampling of Signal Innovations ：Theory, Algorithms, and Performance Bounds) "，IEEE信號(hào)處理雜志，第25卷，第2期，第31到40頁(yè)，2008年 3月；[3]Y.郝（Y.Hao)、P.瑪澤里阿諾、M.維特利、T.布魯，"將ECG壓縮為具有有限創(chuàng)新 速率的信號(hào)（Compression of ECG as a Signal with Finite Rate of Innovation)，'， 2005IEEE醫(yī)學(xué)和生物工程第27屆年會(huì)會(huì)議記錄，中國(guó)，上海，2005年9月1到4日，第7564 到7567頁(yè)；[4]瑪澤里阿諾、M.維特利和T.布魯，"具有加性散粒噪聲的帶限信號(hào)的取樣和 精石角重構(gòu)（Sampling and Exact Reconstruction of Bandlimited Signals With Additive Shot Noise) "，IEEE信息理論學(xué)報(bào),第52卷，第5期，第2230到2233頁(yè)，2006年5月。在 此方法中，分析波形或波形的導(dǎo)數(shù)，以識(shí)別用以在準(zhǔn)周期內(nèi)為信號(hào)區(qū)段的邊界界定信號(hào)特 征或標(biāo)記的狄拉克（Dirac)函數(shù)（本質(zhì)上為無(wú)限窄的脈沖）的位置和振幅。接著可使用適 當(dāng)?shù)牟ㄐ螤罨驑訔l來(lái)重構(gòu)信號(hào)或信號(hào)區(qū)段?，F(xiàn)有技術(shù)中所描述的這些模型（其可稱為狄拉 克-FRI模型）限于用于脈沖描述的兩個(gè)參數(shù)，（準(zhǔn)周期性信號(hào)）的周期內(nèi)的振幅和位置， 且其限于用于重構(gòu)的單個(gè)脈沖形狀。因此，這些模型在其參數(shù)化含有不同寬度的脈沖的信 號(hào)的能力方面受限。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的系統(tǒng)、方法和裝置各自具有若干方面，其中無(wú)單獨(dú)一者唯一地負(fù)責(zé)其合 意屬性。在不將本發(fā)明的范圍限制為由所附權(quán)利要求書(shū)表達(dá)的情況下，現(xiàn)在將簡(jiǎn)要論述一 些特征。在考慮此論述之后，且明確地說(shuō)，在閱讀標(biāo)題為"【具體實(shí)施方式】"的部分之后，將理 解本發(fā)明的特征如何提供包含用于界定和參數(shù)化含有不同寬度的脈沖的信號(hào)或系統(tǒng)響應(yīng) 的模型的優(yōu)點(diǎn)。參數(shù)可界定所述信號(hào)，且因此可用作原始信號(hào)的經(jīng)壓縮版本。所述參數(shù)作 為所述信號(hào)的經(jīng)壓縮版本的存儲(chǔ)需要較少存儲(chǔ)空間，從而使信號(hào)的存儲(chǔ)較具存儲(chǔ)器效率。
[0005] 如下文所提供，一種計(jì)算機(jī)實(shí)施的壓縮或解壓縮信號(hào)的方法可包含：將信號(hào)模型 化為一系列重疊脈沖，其具有峰值位置、阻尼因子和振幅；以及根據(jù)所述模型執(zhí)行壓縮或解 壓縮。
[0006] 在一個(gè)實(shí)施方案中，一種計(jì)算機(jī)實(shí)施的信號(hào)參數(shù)化方法包含：通過(guò)至少一個(gè)處理 器獲得N樣本時(shí)域信號(hào)的一系列至少麗個(gè)離散傅里葉變換系數(shù)，其中麗大于2K ;以及通 過(guò)所述至少一個(gè)處理器，使用MM個(gè)離散傅里葉變換系數(shù)確定零化子多項(xiàng)式的K個(gè)根。至少 部分地基于所確定的根，通過(guò)至少一個(gè)處理器得出K個(gè)脈沖的位置和寬度。還通過(guò)至少一 個(gè)處理器得出K個(gè)脈沖中的每一者的真振幅或復(fù)振幅。
[0007] 在另一實(shí)施方案中，一種上面存儲(chǔ)有指令的非暫時(shí)性計(jì)算機(jī)可讀媒體可致使處理 電路執(zhí)行以下步驟：獲得一系列MM個(gè)離散傅里葉變換系數(shù)；使用所述MM個(gè)離散傅里葉變 換系數(shù)確定零化子多項(xiàng)式的K個(gè)根；以及至少部分地基于所述所確定的根，得出K個(gè)脈沖中 的每一者的位置、寬度和真振幅或復(fù)振幅。
[0008] 在另一實(shí)施方案中，一種經(jīng)配置以用于信號(hào)參數(shù)化的設(shè)備包含處理器，其經(jīng)配置 以：獲得時(shí)域信號(hào)的一系列頻域變換系數(shù)，使用所述頻域變換系數(shù)確定零化子多項(xiàng)式的根， 且至少部分地基于所確定的根，得出時(shí)域信號(hào)的脈沖的位置和寬度。此設(shè)備可耦合到作為 ECG監(jiān)視系統(tǒng)的一部分的ECG電極。
[0009] 在另一實(shí)施方案中，一種經(jīng)配置以用于信號(hào)參數(shù)化的設(shè)備包含：用于產(chǎn)生時(shí)域信 號(hào)的裝置；以及用于通過(guò)從時(shí)域信號(hào)的頻域系數(shù)得出時(shí)域信號(hào)中的脈沖的位置和寬度來(lái)壓 縮時(shí)域信號(hào)的裝置。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0010] 圖1A到1C說(shuō)明用洛侖茲脈沖的總和來(lái)重構(gòu)ECG波形。
[0011] 圖2是參數(shù)化含有可變寬度脈沖的波形的方法的流程圖。
[0012] 圖3是ECG波形的頻譜的曲線圖。
[0013] 圖4是使用用圖2的方法產(chǎn)生的參數(shù)進(jìn)行信號(hào)重構(gòu)的方法的流程圖。
[0014] 圖5是將原始時(shí)域信號(hào)與使用VPW-FRI參數(shù)的信號(hào)的重構(gòu)進(jìn)行比較的曲線圖。
[0015] 圖6是在頻域中比較圖5的時(shí)域波形的曲線圖。
[0016] 圖7A到7C說(shuō)明利用本發(fā)明的信號(hào)參數(shù)化的系統(tǒng)的實(shí)施例。
[0017] 圖8說(shuō)明利用本發(fā)明的信號(hào)參數(shù)化的系統(tǒng)的實(shí)施例。

【具體實(shí)施方式】
[0018] 下文參考附圖更全面地描述新穎系統(tǒng)、設(shè)備和方法的各個(gè)方面。所述技術(shù)以許多 不同形式體現(xiàn)，且不應(yīng)被解釋為限于貫穿本發(fā)明而呈現(xiàn)的任何特定結(jié)構(gòu)或功能。相反，提 供這些方面以使得本發(fā)明將透徹且完整，且將向所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員完全傳達(dá)本發(fā)明的范 圍?；诒疚牡慕淌?，所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)了解，本發(fā)明的范圍既定涵蓋本文所揭示的新 穎系統(tǒng)、設(shè)備和方法的任何方面，不管是獨(dú)立于本發(fā)明的任何其它方面實(shí)施還是與本發(fā)明 的任何其它方面組合。舉例來(lái)說(shuō)，可使用本文中陳述的任何數(shù)目的方面來(lái)實(shí)施一設(shè)備或?qū)?踐一方法。另外，本發(fā)明的范圍既定涵蓋使用除本文所陳述的本發(fā)明的各個(gè)方面之外或不 同于本文所陳述的本發(fā)明的各個(gè)方面的其它結(jié)構(gòu)、功能性，或結(jié)構(gòu)和功能性來(lái)實(shí)踐的此設(shè) 備或方法。應(yīng)理解，本文所揭示的任何方面可由一技術(shù)方案的一個(gè)或一個(gè)以上要素來(lái)實(shí)施。
[0019] 盡管本文描述特定方面，這些方面的許多變化和排列屬于本發(fā)明的范圍內(nèi)。盡管 提到優(yōu)選方面的一些益處和優(yōu)點(diǎn)，但本發(fā)明的范圍無(wú)意限于特定益處、用途或目標(biāo)。相反， 本發(fā)明的方面既定廣泛適用于不同系統(tǒng)，其中的一些在圖中以及優(yōu)選方面的以下描述中以 實(shí)例方式說(shuō)明。詳細(xì)描述和圖式僅說(shuō)明本發(fā)明而不是限制由所附權(quán)利要求書(shū)及其均等物所 界定的本發(fā)明的范圍。
[0020] 本發(fā)明的方法可適用于多種系統(tǒng)。舉例來(lái)說(shuō)，本發(fā)明可特別適用于例如心電圖 (ECG)數(shù)據(jù)庫(kù)等信號(hào)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)。在一個(gè)方面中，本文的方法可用于參數(shù)化ECG信號(hào)，且接 著將那些參數(shù)存儲(chǔ)在ECG數(shù)據(jù)庫(kù)中。這可大大減少存儲(chǔ)ECG信號(hào)所需的成本和資源，因?yàn)?存儲(chǔ)數(shù)據(jù)所需的存儲(chǔ)器分配大大減少。此些ECG信號(hào)數(shù)據(jù)庫(kù)提供用于患者的評(píng)估和治療的 信息。另外，醫(yī)院可能要求此ECG數(shù)據(jù)庫(kù)作為患者醫(yī)療記錄存儲(chǔ)的一部分。因此，本文所描 述的系統(tǒng)和方法可證實(shí)對(duì)醫(yī)療領(lǐng)域有價(jià)值。
[0021] 本文所描述的方法中的許多方法通過(guò)在模型中引入界定所述模型的脈沖形狀的 寬度和不對(duì)稱性且擴(kuò)展FRI分析的數(shù)學(xué)和方法的參數(shù)來(lái)克服現(xiàn)有技術(shù)的困難。另外，本發(fā) 明界定用于執(zhí)行分析以從數(shù)據(jù)估計(jì)這些參數(shù)的途徑。所述途徑將FRI的模型一般化為四 參數(shù)脈沖模型，其可將波形表示為重疊脈沖總和，所述脈沖中的每一者由位置、對(duì)稱分量振 幅、不對(duì)稱分量振幅和寬度來(lái)表征。由此一般化提供的增加的自由度大大擴(kuò)展了可模型化 的信號(hào)的范圍和類別，且其允許脈沖的重疊的表示，而不是波形區(qū)段的級(jí)聯(lián)。
[0022] 近似表示本文所述的參數(shù)化模型的信號(hào)可稱為可變脈沖寬度有限信息速率（即， VPW-FRI)信號(hào)。這種類別的信號(hào)的實(shí)例為如圖1A中所說(shuō)明的ECG波形中的心搏。如此圖 中所見(jiàn)，心搏的結(jié)構(gòu)由其P Q R S T分量界定。這些分量的位置、大小和形狀傳達(dá)關(guān)于心臟 的物理運(yùn)作的關(guān)鍵信息。在VPW-FRI模型中，可將波形模型化為洛侖茲（也稱為科希分布 (Cauchy distribution))脈沖總和，所述脈沖中的每一者包含對(duì)稱和不對(duì)稱分量：
[0023]

【權(quán)利要求】
1. 一種信號(hào)參數(shù)化的計(jì)算機(jī)實(shí)施方法，所述方法包括： 通過(guò)至少一個(gè)處理器獲得N樣本時(shí)域信號(hào)的一系列至少M(fèi)M個(gè)離散傅里葉變換系數(shù)，其 中麗大于2K ; 通過(guò)所述至少一個(gè)處理器，使用所述MM個(gè)離散傅里葉變換系數(shù)來(lái)確定零化子多項(xiàng)式 的K個(gè)根； 至少部分地基于所述所確定的根，通過(guò)所述至少一個(gè)處理器得出K個(gè)脈沖的位置和寬 度；以及 通過(guò)所述至少一個(gè)處理器得出所述K個(gè)脈沖中的每一者的真振幅或復(fù)振幅。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述脈沖在所述時(shí)域中具有近似洛倫茲函數(shù)形 狀。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1和2中的一個(gè)權(quán)利要求所述的方法，其中所述MM個(gè)離散傅里葉變換 系數(shù)全部對(duì)應(yīng)于大于或等于零的頻率。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1到3中任一權(quán)利要求所述的方法，其中所述MM個(gè)離散傅里葉變換系 數(shù)全部對(duì)應(yīng)于小于或等于零的頻率。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1到4中任一權(quán)利要求所述的方法，其包括得出所述K個(gè)脈沖的對(duì)稱 和不對(duì)稱分量的振幅。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1到5中任一權(quán)利要求所述的方法，其中通過(guò)線性回歸矩陣求逆來(lái)確 定所述振幅。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1到6中任一權(quán)利要求所述的方法，其包括從所述信號(hào)的一系列時(shí)域 樣本得出所述系列的至少M(fèi)M個(gè)離散傅里葉變換系數(shù)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1到7中任一權(quán)利要求所述的方法，其中所述時(shí)域信號(hào)包括心電圖 ECG信號(hào)。
9. 一種上面存儲(chǔ)有指令的非暫時(shí)計(jì)算機(jī)可讀媒體，所述指令致使處理電路執(zhí)行以下步 驟： 獲得一系列MM個(gè)離散傅里葉變換系數(shù)； 使用所述MM個(gè)離散傅里葉變換系數(shù)來(lái)確定零化子多項(xiàng)式的K個(gè)根； 至少部分地基于所述所確定的根，得出K個(gè)脈沖中的每一者的位置、寬度和真振幅或 復(fù)振幅。
10. -種計(jì)算機(jī)實(shí)施的壓縮或解壓縮信號(hào)的方法，其包括：將所述信號(hào)模型化為具有 峰值位置、阻尼因子和振幅的一系列重疊脈沖；以及根據(jù)所述模型用處理電路執(zhí)行所述壓 縮或解壓縮。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述脈沖具有反對(duì)稱分量振幅。
12. 根據(jù)權(quán)利要求10和11中的一個(gè)權(quán)利要求所述的方法，其中所述壓縮包括： 獲得一系列至少M(fèi)M個(gè)離散傅里葉變換系數(shù)； 使用所述至少M(fèi)M個(gè)離散傅里葉變換系數(shù)來(lái)確定零化子多項(xiàng)式的K個(gè)根； 至少部分地基于所述所確定的根，得出K個(gè)脈沖中的每一者的位置、寬度和真振幅或 復(fù)振幅。
13. -種經(jīng)配置以用于信號(hào)參數(shù)化的設(shè)備，所述設(shè)備包括： 處理器，其經(jīng)配置以： 獲得時(shí)域信號(hào)的一系列頻域變換系數(shù)； 使用所述頻域變換系數(shù)確定零化子多項(xiàng)式的根；以及 至少部分地基于所述所確定的根，得出所述時(shí)域信號(hào)的脈沖的位置和寬度。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的設(shè)備，其中所述處理器進(jìn)一步經(jīng)配置以得出所述脈沖中的 每一者的真振幅或復(fù)振幅。
15. 根據(jù)權(quán)利要求13和14中的一個(gè)權(quán)利要求所述的設(shè)備，其中所述脈沖在所述時(shí)域中 具有近似洛倫茲函數(shù)形狀。
16. 根據(jù)權(quán)利要求13到15中任一權(quán)利要求所述的設(shè)備，其中所述頻域變換系數(shù)全部對(duì) 應(yīng)于大于或等于零的頻率。
17. 根據(jù)權(quán)利要求13到16中任一權(quán)利要求所述的設(shè)備，其中所述MM個(gè)離散傅里葉變 換系數(shù)全部對(duì)應(yīng)于小于或等于零的頻率。
18. 根據(jù)權(quán)利要求13到17中任一權(quán)利要求所述的設(shè)備，其中所述處理器進(jìn)一步經(jīng)配置 以得出所述脈沖對(duì)稱和不對(duì)稱分量的振幅。
19. 根據(jù)權(quán)利要求13到18中任一權(quán)利要求所述的設(shè)備，其中所述處理器進(jìn)一步經(jīng)配置 以從所述信號(hào)的一系列時(shí)域樣本得出所述系列頻域變換系數(shù)。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的設(shè)備，其中所述時(shí)域信號(hào)包括心電圖ECG信號(hào)。
21. 根據(jù)權(quán)利要求19和20中的一個(gè)權(quán)利要求所述的設(shè)備，其中所述設(shè)備包括ECG電 極、A/D轉(zhuǎn)換器、處理器，以及經(jīng)配置以用于安裝在受體身體上的天線。
22. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的設(shè)備，其中所述設(shè)備包括具有天線和處理器的便攜式裝 置，其中所述便攜式裝置經(jīng)配置以用于與所述處理器通信。
23. -種經(jīng)配置以用于信號(hào)參數(shù)化的設(shè)備，所述設(shè)備包括： 用于產(chǎn)生時(shí)域信號(hào)的裝置； 用于通過(guò)從所述時(shí)域信號(hào)的頻域系數(shù)得出所述時(shí)域信號(hào)中的脈沖的位置和寬度來(lái)壓 縮所述時(shí)域信號(hào)的裝置。
24. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的設(shè)備，其中所述用于產(chǎn)生時(shí)域信號(hào)的裝置包含電極。
25. 根據(jù)權(quán)利要求23和24中的一個(gè)權(quán)利要求所述的設(shè)備，其包含用于發(fā)射所述經(jīng)壓縮 時(shí)域信號(hào)的裝置。
【文檔編號(hào)】H03M7/30GK104145262SQ201280066329
【公開(kāi)日】2014年11月12日 申請(qǐng)日期:2012年11月8日 優(yōu)先權(quán)日:2011年12月14日
【發(fā)明者】小羅伊·富蘭克林·奎克, 羅納德·埃爾登·克羅基耶雷, 約翰·賢哲·洪 申請(qǐng)人:高通股份有限公司