基于多条耦合器声表面波式小波重构器件的延时补偿方案

文常保，朱长纯(西安交通大学电子与信息工程学院真空微电子研究所,西安710049;)摘要：针对基于多条耦合器声表面波式小波重构器件中各个尺度器件之间时间不同步的问题，提出了补偿多条耦合器和输出叉指换能器之间距离，实现时间同步的延时补偿方案。该方案利用了声表面波在晶体基片表面的延时特性，通过在声表面波器件内部进行延时补偿，确保了各个尺度重构器件在同一触发信号作用下具有相同的响应时间，避免了由于时间不同步造成的重构误差问题。通过对一个具有三尺度基于多条耦合器声表面波式小波重构器件的延时补偿实验结果表明，该方案对于实现多尺度小波重构器件之间的时间同步是非常有效的。关键词：延时；时间同步；小波重构；声表面波DelayTimeCompensationSchemeforSurfaceAcousticWave’sWaveletReconstructionDeviceBasedonMultistripCouplerWenChangbao,ZhuChangchun(InstituteofVacuumMicroelectronics,SchoolofElectronicsandInformationEngineering,Xi’anJiaotongUniversity,Xi’an710049,China)AbstractTosolvetimenon-synchronizationproblemamongdifferentscaledevicesinsurfaceacousticwave’s(SAW’s)waveletreconstructiondevicebasedonmultistripcoupler(MSC),anoveldelaytimeschemeofcompensatingthedistancebetweenMSCandoutputinterdigitaltransducer(IDT)wasproposed.Timesynchronizationindifferentscalereconstructiondeviceswasrealizedbythedelaytimecharacteristicofsurfaceacousticwave(SAW)propagatingoncrystalsubstratesurface.Realizationoftimesynchronizationensurethatallscalereconstructiondeviceshavesameresponsetimeforidenticaltriggersignal,andavoidsreconstructionerrorduetotimenon-synchronizationproblemamongdifferentscaledevices.TheexperimentsofcompensatingaSAW’swaveletreconstructiondevicebasedonMSCwiththreescalesconfirmthatthedelaytimecompensationschemeiseffective.Keywords:Delaytime;Timesynchronization;Waveletreconstruction;Surfaceacousticwave;1收稿日期：2005-12-22.作者简介:文常保(1976～),男,博士生；朱长纯(联系人),男,教授,博士生导师.基金项目：国家自然科学基金资助项目(60476037;60176020)；教育部高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20020698014)小波重构作为对小波变换结果进行恢复和重建的一种逆变换运算，在小波技术中占有重要的地位[1]。但是，目前小波重构算法的实现主要靠计算机来完成，实现中大量的数学运算和复杂的算法编程在一定程度上制约和延缓了小波技术的应用和发展。针对这一问题，科学技术人员正在努力探索用各种物理器件来实现小波重构，目前主要有：超大规模集成电路(VLSI)[2]，光学镜片[3]和声表面波器件[4,5]。其中，用无源、体积小、可靠性高、实时性和重复性好的声表面波器件实现小波重构，既克服了VLSI实现中功耗高、成本高的缺点，又避免了光学方法实现中体积大、重复性差等问题。另外，随着基于光刻和微电子工艺的声表面波制造技术的不断发展，也为用声表面波器件实现小波重构提供了良好的技术条件。文献[5]为了解决早期声表面波式小波重构器件[4]中存在的产生二次插入损耗、接收损耗高、体声波和三次渡越信号引起对响应特性失真等问题，提出了一种基于多条耦合器声表面波式小波重构器件的实现方法，并对单尺度和多尺度小波重构的实现进行了实验论证，但没有涉及到小波重构器件中各个尺度器件之间的时间同步问题。用基于多条耦合器声表面波器件实现多尺度小波重构时，出现时间不同步问题的主要原因是：输入信号在每个尺度重构器件上的响应时间等于信号所激发的声表面波在该器件晶体基片表面上的渡越时间，而每个尺度器件的结构参数是由器件的中心频率，及该尺度下小波函数、重构小波函数的包络形状和长度来决定，所以各个尺度重构器件就会因为彼此之间的结构参数不同，引起各个尺度器件上的重构结果传输不同步，从而最终导致信号重构误差的出现。本文正是针对该问题，提出了一种补偿各个尺度重构器件的多条耦合器(MSC)和输出换能器(IDT)之间距离，实现小波重构器件时间同步的延时补偿方案。1基于多条耦合器声表面波式小波重构器件的时间不同步问题文献[5]利用基于多条耦合器声表面波器件的频率响应函数等于输入与输出加权IDT传递函数傅里叶变换之积的关系，对输入和输出IDT分别进行小波、重构小波加权，实现了单尺度小波重构功能，如图1所示的是尺度为小波重构器件的结构原理图。j2)(Zj∈I:具有小波加权的输入IDT；M:MSC；O:具有重构小波加权的输出IDT；Lij:输入IDT的长度；Limj:输入IDT与MSC之间的距离；Lmj:MSC的宽度；Lmoj:MSC与输出IDT之间的距离；Loj:输出IDT的长度。图1尺度为的小波重构器件结构原理图j2当输入信号施加到图1所示的尺度重构器件时，输入信号会首先在小波加权的输入IDT进行小波变换，并且利用晶体基片的逆压电效应将小波变换结果转化可以沿晶体表面向前传播SAW信号；然后，经过MSC的全转移功能，将SAW信号耦合到重构小波加权的输出IDT；最后，利用晶体基片的压电效应，将该尺度器件上SAW形式的小波重构结果转化为示波器或其它电子仪器可以识别的电信号输出。所以输入信号在尺度重构器件上的响应时间，就可以利用输入信号在该器件晶体基片表面上所激发的SAW信号的渡越时间来表示。如输入信号在图1所示小波重构尺度器件上的响应时间为)(tf),2(tfjW),2(tXjj2)(tfVLVLVLVLVLtojsmojmjsimjijj22++++=（1）式中：为SAW在自由晶体基片表面上的波速；V是SAW在金属条和自由表面相间时的波速，它由、金属表面的SAW波速和换能器的涂敷金属比来决定。这里由于IDT的涂敷金属比为0.5，所以sVsVmVmsmsVVVVV+=2（2）-2-⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−=222KVVsm（3）式中：2K为晶体基片材料的机电耦合系数。由式（2）和（3）可知在制作器件的晶体材料确定情况下，和V均为常数，所以SAW信号在任意尺度器件上的渡越时间由,,,和的长度来共同决定。sVj2jtijLimjLmjLmojLojL在任意尺度基于多条耦合器声表面波式小波重构器件的实现中，尽管输出重构小波IDT的加权包络曲线幅值等于BA+2倍的输入小波IDT的加权包络曲线幅值[5]，但在同一尺度下的小波与重构小波的包络长度值是相同的，即输入和输出IDT的长度是相同的；另外，在器件的设计中取输入IDT与MSC之间的距离及MSC与输出IDT之间的距离均为一个SAW的波长值，所以有ojijLL=（4）jmojimjLL0λ==（5）式中：jsjfV=0λ，是SAW信号在自由晶体表面传播时的一个波长值，为尺度所对应小波重构器件的中心频率。jfj2下面以一个小波重构器件中尺度为和两个具体器件之间的时间不同步为例，说明基于多条耦合器声表面波式小波重构器件中任意两个尺度器件之间存在的时间不同步问题。02j2由式(1)，(4)，(5)可以知道，输入信号所激发的SAW信号在尺度为和小波重构器件上的渡越时间分别为02j2VLVVLtmsi000002++=λ（6）VLVVLtmjsjijj++=02λ（7）尽管每个尺度器件中输入IDT的长度由所对应尺度下小波函数包络的长度来决定，但对于同一小波重构器件中两个尺度器件的输入IDT长度之间却存在一定关系，如文献[4,5]中实现的Morlet小波重构器件的包络为⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛⎟⎠⎞⎜⎝⎛−=2221exp)(jttA（8）式（8）表明小波函数包络的长度将随着尺度的二进伸缩，而双倍的增加或减少。所以，尺度和器件输入IDT的长度值和之间存在如下关系02j20iLijL02ijijLL=（9）根据文献[6]有，22KLjmjλ=（10）式中：jjfV=λ。另外，由文献[7]可以知道02ffjj−=（11）所以尺度和两个小波重构尺度器件之间的时间差为02j2jjttt−=∆0,0VKfVVKLKfij202020)22()21(++−=（12）式(12)中各个参数均为非零值，所以有不为零的时间差jt,0∆存在，即信号在尺度和小波重构器件上的渡越时间是不同步的。02j2-3-用外部延时电路实现重构器件同步的原理图在这种情况下，如果由尺度,…,构成的小波重构器件中各个尺度器件的实际输出结果应该为：,…,(…)，如图2所示，这并不是所期望的具有相同时间参数的小波重构形式：,…,。从小波技术角度考虑，这种由于各个尺度小波重构器件之间结构参数不同，造成小波重构结果具有不相同时间参量的问题，将最终导致重构误差的出现。因此，必须对各个小波重构器件进行延时补偿，以确保所有尺度器件下小波重构结果的时间参量是相等的。另外，对于以上多尺度小波重构器件中所存在的时间不同步问题，通常可以用外部时间延时电路(如MAX或Altera系列延时芯片）来实现，如图2所示。但这种通过增加外部延时电路的二次补偿方案，在解决各个尺度器件之间时不同步问题的同时，也增加了器件的体积、功耗和实现规模，不利于器件小型化、低损耗和易集成的发展需要，因此不是一种理想的补偿方案。02j2),2(00tX),2(jjtX≠0tjt≠),2(0tX),2(tXj2小波重构器件的延时补偿方案声表面波本身有一个非常显著的特点，就是它比相应的电磁波的传播速度和波长小约105个数量级[8]。在同一频率段上，完成同样延时参量的声表面波器件，无论从器件的体积和重量方面比较都是其它电磁波器件所无法比拟的。另外，器件的无源、重复性好等特点，使声表面波器件在目前雷达、通信等领域得以广泛应用[8,9]。因此，对于图1中尺度为的小波重构器件来说，就可以通过补偿MSC与输出IDT之间的距离，达到调整SAW信号在晶体基片表面的渡越时间，进而实现多尺度小波重构器件之间时间同步的目的。j2mojL利用SAW在晶体表面的这种延时特性，式（12）中尺度和两个重构器件之间的渡越时间差02j2jt,0∆，就可以通过以信号在其中一个尺度器件上的渡越时间为标准，调节另一个尺度器件中MSC与输出IDT之间的距离参数进行补偿，从而实现两尺度器件之间的时间同步。当已知尺度小波重构器件的各个结构设计参数时，根据公式(12)可以知道对尺度器件MSC与输出IDT之间距离参数的补偿量应该为02j2⎪⎩⎪⎨⎧∆−=∆+=∆0,0,00,,0,0jtVjj