本公開總體涉及自動信號識別技術，并且更具體地，涉及用于能量高效的以特征中心的模擬-脈沖(spike)編碼器的系統和方法，特別是用于脈沖神經網絡的以特征為中心的模擬-脈沖編碼器。
背景技術：
1、采樣是將信號(例如，連續時間或空間的函數)轉換為一序列值(離散時間或空間的函數)的過程。采樣率是在信號的一秒內獲得的平均樣本數量。
2、如果某個表示域中的非零值的數量遠小于總信號長度，則離散信號在該域中可以被視為稀疏的。在真實世界信號的情況下，一種常見的情況是，有效系數的數量與其他分量的數量相比較少。這些系數可以忽略不計或設置為零。換句話說，可以使用少量的非零元素高效地表示稀疏信號。
3、與非稀疏信號相比，稀疏信號可以用較低的采樣率準確地表示。nyquist-shannon定理指出，非稀疏信號的采樣率應當至少為最高頻率分量的兩倍，而對于稀疏信號，由于能量集中在少數系數中，因此采樣率可以明顯較低。
4、在許多(自然)信號和傳感器應用(例如，視覺、聲學、環境、醫療監測系統)中，由于噪聲、干擾信號或電路損傷而導致的損壞，信號不一定是稀疏的，因此標準sub-nyquist采樣技術可能不適用。sub-nyquist采樣技術，也稱為壓縮感測或壓縮采樣，是用于以明顯低于nyquist-shannon定理規定的采樣率的采樣率獲取和重構信號的方法。
5、此外，在許多這些應用中(例如，語音識別應用、手勢檢測系統、心率監測器等)，原始信號的全部信息內容及其完整重構通常都不令人感興趣。因此，處理能力和數據速率被浪費在處理不感興趣的信息上。
6、信號調節、量化和無線通信中的功率成本都與數據速率成比例。如果想要設計一個具有超低功耗要求的系統，則需要一種新的模擬/數字系統分區方法，以顯著降低整體功耗為目標。
技術實現思路
1、本發明的發明人認識到，原始信號的全部信息內容，對于其完全重構來說，通常是感興趣的，但對于模式識別和信號分類應用，通常只需要從信號波形中提取的特定子集的信息(本文稱為信號的特征)。波形特征的一些示例是一段時間上的最大信號電平、過零次數等。這些特征可以提供關于其他特征的信息，例如信號的頻率內容、相位或定時特性。
2、本發明旨在通過在執行調制匹配信號特征編碼和分類之前，借助脈沖調制和以特征為中心的自適應濾波器/鎖定環/同步技術，提取嵌入在模擬信號波形中的一組特定特征，來以信號的相關信息/特征速率對其進行采樣。這允許信號處理專注于特征承載信息，并在信號處理路徑中盡可能早地丟棄不相關信息，同時濾除/抑制其他不相關信息或失真干擾源。通過在信號處理路徑中早期丟棄不相關信息，整個系統的能效顯著提高。這意味著更智能的模擬信號處理(即，模擬分析)強調相關特征，并通過特征保留變換來降低波形的維數，意圖是對輸入信號波形的特征進行分類而不是重構原始波形。
3、為了實現這個目的，本發明根據第一方面公開了一種用于脈沖神經網絡的信號處理電路，包括用于將模擬輸入信號轉換為模擬輸入信號的對應脈沖-時間表示的接口。該接口可以包括模擬-信息(a/information)轉換器，其包括用于接收模擬輸入信號的輸入，并且可以被配置為：產生表示模擬輸入信號的一個或多個特征的調制信號。其次，該接口可以包括特征檢測電路，其可以包括用于接收調制信號的輸入，并且可以被配置為：將調制信號與表示參考特征的參考信號進行比較，并且被配置為：產生指示調制信號與參考信號之間的差的誤差信號。此外，該接口可以包括特征提取器電路，其包括具有用于接收誤差信號的輸入的鎖定環電路，并且可以被配置為：產生表示由調制信號所表示的一個或多個特征的出現的輸出信號。此外，該接口可以包括編碼器電路，其可以具有用于接收特征提取器的輸出信號的輸入，并且被配置為：將輸出信號編碼為脈沖序列，以用于輸入到脈沖神經網絡。
4、根據第一方面的實施例，信號處理電路還可以包括預處理電路，其對模擬輸入信號進行預處理，優選地其中，預處理電路包括低噪聲前置放大器、帶通濾波器和/或可編程增益(后置)放大器。
5、根據第一方面的實施例，模擬輸入信號可以以電壓表示，并且可以用作a/information轉換器的控制電壓輸入，從而確定模擬輸入信號的調制。
6、根據第一方面的實施例，特征可以是以下中的一個或多個：i)特定特性，例如瞬態特征、穩態特征，ii)特定性質，例如(非)線性特征、統計特征、平穩特征、傳遞函數特征、能量含量和/或基于iii)特定域特征，例如時域、延遲域、頻域、相域特征，優選地其中，a/information轉換器包括模擬-時間轉換器，其將模擬輸入信號轉換為表示特定時域特征(例如，延遲、頻率和/或相位)的調制信號。
7、根據第一方面的實施例，a/information轉換器可以形成模擬-延遲(a/delay)轉換器、模擬-頻率(a/frequency)轉換器和/或模擬-相位(a/phase)轉換器。
8、根據第一方面的實施例，a/information轉換器可以包括壓控延遲線、壓控振蕩器和/或多相壓控振蕩器，其執行模擬輸入信號向調制信號的調制的至少一部分。
9、根據第一方面的實施例，a/delay轉換器可以包括壓控延遲線，a/frequency轉換器可以包括壓控振蕩器，并且a/phase轉換器可以包括多相壓控振蕩器。
10、根據第一方面的實施例，特征提取器電路的輸出信號可以被反饋到特征檢測器電路，從而形成負反饋環路。
11、根據第一方面的實施例，特征提取器電路可以包括壓控振蕩器，其由誤差信號驅動，并產生特征提取器電路的輸出信號，并且是鎖定環的一部分。
12、根據第一方面的實施例，鎖定環可以是延遲鎖相環、鎖頻環或鎖相環。
13、根據第一方面的實施例，特征提取器電路還可以包括濾波器，優選地是自適應濾波器，其阻止誤差信號的不在鎖定環的鎖定范圍內的部分，但允許誤差信號的在鎖定環的鎖定范圍內的部分通過。
14、根據第一方面的實施例，編碼器電路可以使用基于速率的編碼或基于時間、脈沖的編碼作為編碼方案。
15、根據第一方面的實施例，特征提取器電路可以是一組并行特征提取器電路的一部分，并且其中，信號處理電路還包括通道選擇器單元，其可以以在特定操作條件下在任何給定時刻最有益的特征子集被提取的方式是自適應的，使得能夠自適應地選擇與感興趣的特征子集對應的一個或多個特征提取器電路，并且并行特征提取器電路從來自a/information轉換器的信號中提取關于這些特征的信息。
16、根據第一方面的實施例，特征提取器電路執行的特征提取可以通過特定電路參數和/或系統控制參數進行配置，優選地，可配置參數包括增益、線性度、帶寬、前饋和反饋、粗/細選擇性、atc控制、反饋控制、校準、定時、延遲、采樣/子采樣模式選擇中的一個或多個。
17、根據第一方面的實施例，在運行時，應用/上下文/條件檢測塊可以確定當前操作上下文，并從當前操作上下文確定要提取的最佳模擬特征集，優選地其中，反饋環路在功率或性能約束內動態地調諧特征提取器電路的規格，并且其中，運行時配置管理器隨后僅通過激活相關特征檢測器電路來激活和配置相關特征集。
18、根據第一方面的實施例，模擬輸入信號可以包括具有正電壓輸入和負電壓輸入的模擬差分電壓信號。
19、根據第一方面的實施例，信號處理電路可以包括多個特征信號路徑，每個特征信號路徑用于表示模擬輸入信號的特定一個或多個特征的調制信號，其中，至少一個特征信號路徑包括可編程構造，其優選地由脈沖神經網絡驅動，并基于可編程構造的輸出向至少一個其他特征信號路徑提供控制反饋。
20、根據第一方面的實施例，信號處理電路還可以包括轉換器單元，其將調制信號或誤差信號轉換為數字信號。
21、根據本發明的第二方面，公開了一種用于將模擬輸入信號轉換為模擬輸入信號的對應脈沖-時間表示，以用于脈沖神經網絡的信號處理方法。該方法包括：接收模擬輸入信號；產生表示模擬輸入信號的一個或多個特征的調制信號；將調制信號與表示參考特征的參考信號進行比較；產生指示調制信號與參考信號之間的差的誤差信號；產生表示由調制信號所表示的一個或多個特征的出現的輸出信號；以及將輸出信號編碼為脈沖序列，以用于輸入到脈沖神經網絡。
22、根據第二方面的實施例，特征可以是下列中的一個或多個：i)特定特性，例如瞬態特征、穩態特征；ii)特定性質，例如(非)線性特征、統計特征、平穩特征、傳遞函數特征、能量含量；和/或基于iii)特定域特征，例如時域、延遲域、頻域、相域特征，優選地，其中，調制信號表示特定時域特征，例如延遲、頻率和/或相位。