基于数据处理的低功耗高信噪比信号处理系统的制作方法

本发明涉及数据处理相关，具体涉及基于数据处理的低功耗高信噪比信号处理系统。

背景技术：

1、在声学信号处理领域，尤其是在语音识别、水声探测、工业设备状态监测及医疗听诊等应用中，获取高信噪比且低失真的原始信号是实现精确分析与判断的前提，然而，实际采集环境往往伴随强背景噪声、电磁干扰及多径反射等不利因素，对微弱声学信号的提取构成了显著挑战。传统信号处理系统通常采用单端信号链路与简单滤波结构，容易引入共模噪声且对电源纹波及地噪声敏感，限制系统信噪比的提升，同时，固定增益放大与滤波器的级联设计若缺乏系统性优化，易导致信号动态范围压缩或高频信息损失；随着模数转换器采样速率与分辨率的提升，基于固定时间窗口的数据切分方式，在非平稳声学信号（如瞬态冲击声或调制声）处理中，往往难以兼顾时间分辨率与频率分辨率的需求；此外，有限脉冲响应滤波器、短时傅里叶变换或常规循环神经网络，在处理具有长期依赖或非线性动态特性的声学信号时，面临记忆容量有限、梯度消失或计算能耗过高的问题，现有研究对于legendre多项式基的记忆单元在并行处理架构下的低功耗实现，以及其与信号调理链路协同设计方面的探索尚不充分。

2、因此，现阶段相关技术中，存在信号调理链路共模干扰抑制能力差、对非线性动态声学信号处理时长期记忆能力不足与计算功耗高的技术问题。

技术实现思路

1、本技术通过提供基于数据处理的低功耗高信噪比信号处理系统，解决了现有技术中存在的信号调理链路共模干扰抑制能力差、对非线性动态声学信号处理时长期记忆能力不足与计算功耗高的技术问题，达到了提升系统信噪比、非线性信号特征提取精度与处理能效比的技术效果。

2、本技术提供基于数据处理的低功耗高信噪比信号处理系统，所述系统包括：调理后模拟信号输出模块，用于构建全差分信号调理链路，通过所述全差分信号调理链路对声学传感器输出的模拟信号进行固定增益放大和三阶级联低通滤波，输出调理后模拟信号；处理源数据获得模块，用于将所述调理后模拟信号输入模数转换器进行模数转换，获得数字信号序列，并对所述数字信号序列按照预设时间窗口长度进行数据切分，获得多个处理源数据；数据处理模块，用于将所述多个处理源数据输入包含legendre记忆单元的并行延迟记忆单元处理器，利用延迟门控机制自适应调整状态更新路径并执行数据处理，获得处理结果。

3、在可能的实现方式中，将所述数字信号序列输入并行延迟记忆单元处理器执行数据处理，获得处理数字信号序列，包括：遍历多个处理源数据，通过并行延迟记忆单元处理器的legendre记忆单元进行压缩，获得多个窗口状态向量；获取多个历史状态队列，其中，每个历史状态队列存储距离当前时间窗口最近的多个时间窗口的多个历史窗口状态向量；遍历多个窗口状态向量，分别与对应的所述多个历史状态队列输入跨尺度交互模块，获得多个对应关系矩阵；利用所述多个对应关系矩阵，将所述多个历史状态队列中的历史信息分别加权融合到多个窗口状态向量中，获得多个处理窗口状态向量，按时间顺序拼接后，输出处理数字信号序列并作为所述处理结果。

4、在可能的实现方式中，遍历多个处理源数据，通过并行延迟记忆单元处理器的legendre记忆单元进行压缩，获得多个窗口状态向量，包括：预先设定legendre多项式的阶数，其中，阶数为窗口状态向量的维度；将多个处理源数据对应的时间窗口内的采样点等间距映射到负一到正一的数值区间；分别计算每个采样点映射后数值对应的各阶legendre多项式值，获得多个基矩阵；将多个基矩阵分别与多个处理源数据对应的时间窗口内的采样点的幅值向量相乘，获得多个初始窗口状态向量；分别将所述多个初始窗口状态向量与上一个时间窗口输出的窗口状态向量进行指数加权平滑，获得多个窗口状态向量。

5、在可能的实现方式中，遍历多个窗口状态向量，分别与所述多个历史状态队列输入跨尺度交互模块，获得多个对应关系矩阵，包括：遍历多个窗口状态向量分别与多个历史状态队列中的每个历史窗口状态向量进行内积运算，获得多个相似度组；对多个相似度分值分别进行归一化处理和矩阵化处理，获得多个对应关系矩阵。

6、在可能的实现方式中，利用所述多个对应关系矩阵，将所述多个历史状态队列中的历史信息分别加权融合到多个窗口状态向量中，获得多个处理窗口状态向量，包括：分别将所述多个对应关系矩阵与多个历史状态队列的多个历史窗口状态向量进行加权求和，获得多个历史信息融合向量；将所述多个历史信息融合向量与多个窗口状态向量进行均值计算，获得多个处理窗口状态向量。

7、在可能的实现方式中，所述并行延迟记忆单元处理器还包括延迟门控机制，包括：计算当前时间窗口的处理源数据的短时能量与长时能量的比值，获得局部活动强度；当所述局部活动强度小于等于第一预设阈值时，判定为低活动强度，绕过状态衰减路径，将当前时间窗口的历史状态队列中的所有历史窗口状态向量直接复制到下一时间窗口，不进行衰减；当所述局部活动强度大于第一预设阈值时，判定为高活动强度，启用状态衰减路径，将当前时间窗口的历史状态队列中最靠前的历史窗口状态向量剔除，并将剩余的每个历史窗口状态向量乘以一个小于一的衰减因子，将当前时间窗口的窗口状态向量加入历史状态队列，完成历史状态队列的更新。

8、在可能的实现方式中，所述全差分信号调理链路包括：正输入端耦合与偏置单元，包括第一耦合电容cin1，其第一端用于接收声学传感器输出的单端输入信号signal，其第二端通过第一电阻rg1连接至全差分放大器u1的正输入端vin+，其中，所述第一电阻rg1为正输入端提供直流偏置；负输入端耦合与偏置单元，包括第二耦合电容cin2，其第一端接地gnd，其第二端通过第二电阻rg2连接至所述全差分放大器u1的负输入端vin-，其中，所述第二电阻rg2为负输入端提供直流偏置；全差分固定增益放大单元，包括全差分放大器u1，其反相输出端vout-通过第一反馈网络连接至所述正输入端vin+，其同相输出端vout+通过第二反馈网络连接至所述负输入端vin-；输出耦合单元，包括第一输出耦合电容cout1和第二输出耦合电容cout2，所述第一输出耦合电容cout1串联于第二反馈电阻rf2的第二端与后级电路的第一输入端之间，所述第二输出耦合电容cout2串联于第四反馈电阻rf4的第二端与后级电路的第二输入端之间。

9、在可能的实现方式中，所述基于数据处理的低功耗高信噪比信号处理系统，还包括：第一反馈网络，包括第一反馈电容cf1、第一反馈电阻rf1和第二反馈电阻rf2，第一反馈电容cf1连接在所述反相输出端vout-与所述正输入端vin+之间，所述第二反馈电阻rf2的第一端连接所述反相输出端vout-，所述第一反馈电阻rf1连接在所述第二反馈电阻rf2的第二端与所述正输入端vin+之间，所述反相输出端vout-通过所述第二反馈电阻rf2串联第一接地电容c1接地，构成第一一阶低通滤波器；所述第二反馈网络，包括第二反馈电容cf2、第三反馈电阻rf3和第四反馈电阻rf4，第二反馈电容cf2连接在所述同相输出端vout+与所述负输入端vin-之间，所述第四反馈电阻rf4的第一端连接所述同相输出端vout+，所述第三反馈电阻rf3连接在所述第四反馈电阻rf4的第二端与所述负输入端vin-之间，所述同相输出端vout+通过所述第四反馈电阻rf4串联第二接地电容c2接地，构成第二一阶低通滤波器。

10、在可能的实现方式中，所述基于数据处理的低功耗高信噪比信号处理系统，还包括：所述第一反馈电容cf1、第一反馈电阻rf1、第二反馈电阻rf2与第一电阻rg1构成第一二阶多反馈低通滤波器，其中，所述第一二阶多反馈低通滤波器与所述第一一阶低通滤波器级联，形成第一三阶低通滤波特性；所述第二反馈电容cf2、第三反馈电阻rf3、第四反馈电阻rf4与第二电阻rg2构成第二二阶多反馈低通滤波器，其中，所述第二二阶多反馈低通滤波器与所述第二一阶低通滤波器级联，形成第二三阶低通滤波特性。

11、在可能的实现方式中，所述基于数据处理的低功耗高信噪比信号处理系统，还包括：所述第一耦合电容cin1与第一电阻rg1以及所述全差分放大器u1的正输入端输入阻抗共同构成第一高通滤波器；所述第二耦合电容cin2与第二电阻rg2以及所述全差分放大器u1的负输入端输入阻抗共同构成第二高通滤波器；所述第一输出耦合电容cout1与模数转换器u2的第一输入端的输入阻抗共同构成第三高通滤波器；所述第二输出耦合电容cout2与所述模数转换器u2的第二输入端的输入阻抗共同构成第四高通滤波器；其中，所述第一高通滤波器与所述第三高通滤波器共同决定正输入端通路的低频截止频率，所述第二高通滤波器与所述第四高通滤波器共同决定负输入端通路的低频截止频率。

12、拟通过本技术提出的基于数据处理的低功耗高信噪比信号处理系统，调理后模拟信号输出模块，用于构建全差分信号调理链路，对声学传感器输出的模拟信号进行固定增益放大和三阶级联低通滤波，输出调理后模拟信号；处理源数据获得模块，用于进行模数转换，获得数字信号序列；数据处理模块，用于将数字信号序列输入并行延迟记忆单元处理器执行信息交互，获得处理数字信号序列并作为处理结果。解决了现有技术中存在的信号调理链路共模干扰抑制能力差、对非线性动态声学信号处理时长期记忆能力不足与计算功耗高的技术问题，达到了提升系统信噪比、非线性信号特征提取精度与处理能效比的技术效果。