信号提前放大在模拟波形或信号检测、获取和处理的应用

摘要

一种基于负群延迟的模拟波形信号检测/数据获取系统，用于减少模拟波形或信号检测及获取中的固有延迟，并有利于比其它可能方案更早地对模拟波形数据的响应动作。信号提前放大和数据调整减少了失真，并允许时间提前比之前的可能方案更多。

权利要求

1.一种针对在时间上提前的对模拟数据的响应动作而在时间上提前对这些模拟数据的检测与特征化的方法，该方法包括下列步骤：选择模拟数据检测装置，所述模拟数据检测装置与具有第一NGD信号输出装置的第一负群延迟电路装置连接，以产生所述模拟数据检测装置所接收到的模拟数据的第一时间提前原标记，所述第一NGD信号输出装置与第一信号提前放大器装置连接，以在第一信号提前放大器输出处产生第一校正标记，该第一校正标记比所述第一时间提前原标记更准确地表示由所述模拟数据检测装置所检测到的所述模拟数据；

将所述数据输入装置应用于模拟数据的源；

对所述第一信号提前放大器装置所产生的所述第一校正标记实施响应动作。

2.一种针对在时间上提前的对模拟数据的响应动作而在时间上提前对这些模拟数据的检测与特征化的方法，该方法包括下列步骤：选择模拟数据检测装置，所述模拟数据检测装置与具有第一NGD信号输出装置的第一负群延迟电路装置连接，以产生所述模拟数据检测装置所接收到的模拟数据的第一时间提前原标记，所述第一NGD信号输出装置与第一信号提前放大器装置连接，以在第一信号提前放大器输出处产生第一校正标记，该第一校正标记比所述第一时间提前原标记更准确地表示由所述模拟数据检测装置所检测到的所述模拟数据；

所述第一信号提前放大器输出与具有第二NGD信号输出装置的第二负群延迟电路装置连接，以产生所述模拟数据检测装置接收并首先被所述第一负群延迟电路装置和所述第一信号提前放大器装置处理的模拟数据的第二时间提前原标记，所述第二NGD信号输出装置与第二信号提前放大器装置连接，以在第二信号提前放大器输出处产生第二校正标记，该第二校正标记比所述第二时间提前原标记更准确地表示所述模拟数据检测装置所检测到的所述模拟数据；

将所述数据输入装置应用于模拟数据的源；

对所述第二信号提前放大器装置所产生的所述第一校正标记实施响应动作。

3.一种针对在时间上提前的对模拟数据的响应动作而在时间上提前对这些模拟数据的检测与特征化的方法，其中N是正整数，该方法包括下列步骤：选择模拟数据检测装置，所述模拟数据检测装置与具有第N个NGD信号输出装置的第N个负群延迟电路装置直接或间接地连接，以产生所述模拟数据检测装置所接收到的模拟数据的第N个时间提前原标记，所述第N个NGD信号输出装置与第N个信号提前放大器装置连接，以在第N个信号提前放大器输出处产生第N个校正标记，所述第N个校正标记比所述第N个时间提前原标记更准确地表示所述模拟数据检测装置所检测到的所述模拟数据；

所述第N个信号提前放大器输出与具有第N+1个NGD信号输出装置的第N+1个负群延迟电路装置连接，以产生由所述模拟数据检测装置接收并首先由所述第N个负群延迟电路装置和第N个信号提前放大器装置处理的模拟数据的第N+1个时间提前原标记，所述第N+1个NGD信号输出装置与第N+1个信号提前放大器装置连接，以在第N+1个信号提前放大器输出处产生第N+1个校正标记，该第N+1个校正标记比所述第N+1个时间提前原标记更准确地表示所述模拟数据检测装置所检测到的模拟数据；

将所述数据输入装置应用于模拟数据的源；

对所述第N+1个信号提前放大器装置所产生的所述第N+1个校正标记实施响应动作。

4.一种针对在时间上提前的对模拟数据的响应动作而在时间上提前对这些模拟数据的检测与特征化的设备，该设备包括：模拟数据检测装置，所述模拟数据检测装置与具有第一NGD信号输出装置的第一负群延迟电路装置连接，以产生所述模拟数据检测装置所接收到的模拟数据的第一时间提前原标记，所述第一NGD信号输出装置与第一信号提前放大器装置连接，以在第一信号提前放大器输出处产生第一校正标记，该第一校正标记比所述第一时间提前原标记更准确地表示由所述模拟数据检测装置所检测到的所述模拟数据。

5.一种针对在时间上提前的对模拟数据的响应动作而在时间上提前对这些模拟数据的检测与特征化的设备，其中N是正整数，该设备包括：模拟数据检测装置，所述模拟数据检测装置与具有第N个NGD信号输出装置的第N个负群延迟电路装置直接或间接地连接，以产生所述模拟数据检测装置所接收到的模拟数据的第N个时间提前原标记，所述第N个NGD信号输出装置与第N个信号提前放大器装置连接，以在第N个信号提前放大器输出处产生第N个校正标记，所述第N个校正标记比所述第N个时间提前原标记更准确地表示所模拟数据检测装置所检测到的所述模拟数据；

所述第N个信号提前放大器输出与具有第N+1个NGD信号输出装置的第N+1个负群延迟电路装置连接，以产生由所述模拟数据检测装置接收并首先由所述第N个负群延迟电路装置和第N个信号提前放大器装置处理的模拟数据的第N+1个时间提前原标记，所述第N+1个NGD信号输出装置与第N+1个信号提前放大器装置连接，以在第N+1个信号提前放大器输出处产生第N+1个校正标记，该第N+1个校正标记比所述第N+1个时间提前原标记更准确地表示所述模拟数据检测装置所检测到的模拟数据。

6.如权利要求1所述的方法，其中，所述模拟数据检测装置是医学监视设备，用于检测和发送表示人体器官和系统所产生的电磁波的数据。

7.如权利要求6所述的方法，其中，所述医学监视设备是EKG监视器。

8.如权利要求6所述的方法，其中，所述医学监视设备是EEG监视器。

9.如权利要求2所述的方法，其中，所述模拟数据检测装置是医学监视设备，用于检测和发送表示人体器官和系统所产生的电磁波的数据。

10.如权利要求9所述的方法，其中，所述医学监视设备是EKG监视器。

11.如权利要求9所述的方法，其中，所述医学监视设备是EEG监视器。

12.如权利要求3所述的方法，其中，所述模拟数据检测装置是医学监视设备，用于检测和发送表示人体器官和系统所产生的电磁波的数据。

13.如权利要求12所述的方法，其中，所述医学监视设备是EKG监视器。

14.如权利要求12所述的方法，其中，所述医学监视设备是EEG监视器。

15.如权利要求4所述的设备，其中，所述模拟数据检测装置是医学监视设备，用于检测和发送表示人体器官和系统所产生的电磁波的数据。

16.如权利要求15所述的方法，其中，所述医学监视设备是EKG监视器。

17.如权利要求15所述的方法，其中，所述医学监视设备是EEG监视器。

18.如权利要求5所述的设备，其中，所述模拟数据检测装置是医学监视设备，用于检测和发送表示人体器官和系统所产生的电磁波的数据。

19.如权利要求18所述的方法，其中，所述医学监视设备是EKG监视器。

20.如权利要求18所述的方法，其中，所述医学监视设备是EEG监视器。

21.一种针对在时间上提前的对模拟数据的响应动作而在时间上提前对这些模拟数据的检测与特征化的设备，该设备包括：模拟数据检测装置，所述模拟数据检测装置与具有第一NGD信号输出装置的第一负群延迟电路装置连接，以产生所述模拟数据检测装置所接收到的模拟数据的第一时间提前原标记，所述第一NGD信号输出装置与第一数字滤波及信号重构装置连接，以在第一数字滤波及信号重构装置输出处产生第一校正标记，该第一校正标记比所述第一时间提前原标记更准确地表示由所述模拟数据检测装置所检测到的所述模拟数据。

22.一种针对在时间上提前的对模拟数据的响应动作而在时间上提前对这些模拟数据的检测与特征化的设备，其中N是正整数，该设备包括：模拟数据检测装置，所述模拟数据检测装置与具有第N个NGD信号输出装置的第N个负群延迟电路装置直接或间接地连接，以产生所述模拟数据检测装置所接收到的模拟数据的第N个时间提前原标记，所述第N个NGD信号输出装置与第N个数字滤波及信号重构装置连接，以在第N个数字滤波及信号重构装置输出处产生第N个校正标记，所述第N个校正标记比所述第N个时间提前原标记更准确地表示所模拟数据检测装置所检测到的所述模拟数据；

所述第N个信号提前放大器输出与具有第N+1个NGD信号输出装置的第N+1个负群延迟电路装置连接，以产生由所述模拟数据检测装置接收并首先由所述第N个负群延迟电路装置和第N个数字滤波及信号重构装置处理的模拟数据的第N+1个时间提前原标记，所述第N+1个NGD信号输出装置与第N+1个数字滤波及信号重构装置连接，以在第N+1个数字滤波及信号重构装置输出处产生第N+1个校正标记，该第N+1个校正标记比所述第N+1个时间提前原标记更准确地表示所述模拟数据检测装置所检测到的模拟数据。

23.一种针对在时间上提前的对模拟数据的响应动作而在时间上提前对这些模拟数据的检测与特征化的方法，其中N是正整数，该方法包括下列步骤：选择模拟数据检测装置，所述模拟数据检测装置与具有第N个NGD信号输出装置的第N个负群延迟电路装置直接或间接地连接，以产生所述模拟数据检测装置所接收到的模拟数据的第N个时间提前原标记，所述第N个NGD信号输出装置与第N个数字滤波及信号重构装置连接，以在第N个数字滤波及信号重构装置输出处产生第N个校正标记，所述第N个校正标记比所述第N个时间提前原标记更准确地表示所模拟数据检测装置所检测到的所述模拟数据；

所述第N个信号提前放大器输出与具有第N+1个NGD信号输出装置的第N+1个负群延迟电路装置连接，以产生由所述模拟数据检测装置接收并首先由所述第N个负群延迟电路装置和第N个数字滤波及信号重构装置处理的模拟数据的第N+1个时间提前原标记，所述第N+1个NGD信号输出装置与第N+1个数字滤波及信号重构装置连接，以在第N+1个数字滤波及信号重构装置输出处产生第N+1个校正标记，该第N+1个校正标记比所述第N+1个时间提前原标记更准确地表示所述模拟数据检测装置所检测到的模拟数据；

将所述数据输入装置应用于模拟数据的源；

对所述第N+1个数字滤波及信号重构装置所产生的所述第N+1校正标记实施响应动作。

说明书

技术领域

本发明涉及模拟波形或信号的获取和处理，并且具体而言，涉及关于用以显著降低或消除模拟波形或信号检测和获取中的固有延迟的“信号提前”的新申请。

背景技术

仪器依赖于模拟信号或波形的检测、获取和处理。获取模拟信号或波形的过程典型地涉及通过模拟信号传感器的检测、放大、转换及后续的信号处理，其可以包括频谱分解，以及典型地，包括出于显示或控制的目的的信号或数据输出。
信号检测和处理的延迟在执行这些功能的电子系统中是不可避免固有的。这些延迟反过来影响随后基于获取的信号或波形对所获取信号或经处理数据的使用，因为产生模拟信号时的物理现象在信号被检测、获取和处理期间会继续变化或衰减。任何控制或干涉必须依赖于、并在某些情况下加强、或者试图干涉已经发生的潜在事件，并且控制、处理或干涉可能不那么有效。
由于这些模拟信号的处理延迟，因此没有针对任何响应输出以通过与潜在现象的相长干涉(constructive interference)或相消干涉(destructiveinterference)来直接控制、干涉、处理或应答的可靠方法。实质上，确切地说，任何这样的响应都是针对已经完成和过去的某事做出的。
在这些控制、干涉、治疗或其它相关应用中使用的现有仪器典型地运作为基于最近获取的数据做出的推断来调整响应输出参数。但是，该仪器还是不能可靠地实现真实、实时的响应，因为没有办法来控制施加的刺激信号的时序以确保与被检测模拟信号或波形产生时的现象进行合理需求的相长或相消干涉。一般来说，对于有效的响应干涉处理或控制很重要的模拟信号或波形转换速度可以通过对这些模拟信号的早期或“在前”检测或者对波形检测和处理延迟的消除或显著降低而得到极大的提高。将“信号提前”放大应用于模拟信号或波形的检测可以显著提高系统响应时间。
许多专利和专利申请以及科学出版物都讨论了负群延迟(“NegativeGroup Delay，NGD”)。
于1994年3月1号授予Arntz的美国专利号5,291,156的标题为“Methodand apparatus for imparting positive phase slope to a narrowbandsignal(将正相位斜率给予窄带信号的方法与设备)”。该专利描述了将正相位斜率(即负群延迟)给予窄带信号的方法与设备：其以与延迟线相反的方式来调整信号中多个频率分量的相位。该发明还允许在没有电机设备或电缆交换的条件下电子地调整相位斜率的数量。给予信号的相位斜率的量可以通过改变各个增益控制块的增益(或衰减)来进行调整。为此，该‘156专利涉及将一个信号分为两路。第一路具有正延迟从而有负相位斜率。第二路是并行路径，并使用负群延迟电路来分配正相位移位，这可以补偿第一路的正延迟。
于2005年6月16公布的Jelonnek等的美国专利申请号20050127996的标题为“Arrangement for reducing non-linear distortions in an output signal of anamplifier stage(用于减少放大级的输出信号中的非线性失真的装置)”。该专利申请描述了用于减少非线性信号失真的系统，该系统并入了负群延迟传输设备来补偿与信号失真检测关联的传输延迟，以便产生加到原始信号的误差信号，以经由针对信号失真的并行信号路径来减少原始信号中的失真。该专利申请描述了一种基于“前馈原理”的与放大相关的失真降低的系统。它被用于经由使用并行信号路径中的负群延迟设备，利用原始信号检测/传输路径中的预测性负延迟放大级，来减少与模拟信号转为数字信号相关联的延迟，该并行信号路径随后与通过主信号路径传播的原始信号重新组合。
其它参考文件，例如标题为“Method and apparatus for estimating anddigitizing instantaneous frequency and phase of bandpass signals(用于估算和数字化带通(bandpass)信号的瞬时频率和相位的方法和设备)”的美国专利号6,456,950以及标题为“Signal processor with local signal behavior andpredictive capability(具有本地信号行为和预测能力的信号处理器)”的美国专利号6,587,064可以并入关于输入信号特征的早期或“预测”信息，但没有一个并入了“信号提前”放大器。
其它看起来相关的专利(例如美国专利号6,466,604、6,222,673、6,081,379和4,853,933)涉及应用于激光器的负群延迟现象以及改变产生辐射的腔体的配置的特征。但是，它们与本发明中描述的申请无关，本发明通过使用基于运算放大器的“信号提前”放大，将负群延迟现象应用于恰在上述专利描述的频谱之下的频谱范围中的模拟信号/波形的检测和处理。
同时，其它看起来相关的专利(例如美国专利号5,945,861和6,154,079)涉及使用负群延迟电路来偏移时钟信号中的延迟，以及避免与这些时钟周期相关的多锁(multi-locking)现象。但是，这些申请涉及时钟脉冲而非一般化模拟信号，并且运作为偏移时钟信号延迟而非在时间上提前模拟信号/波形检测。因此，这些专利族和类似的专利与本发明中将负延迟放大应用于电子生理学接口以提高信号检测/处理响应无关。
尽管这些较早的材料可以完成它们各自特殊的目标和需求，但到目前为止还没有一个提出一种提供对输入模拟波峰的提前或“早期检测”并在对实际输入信号或波形的完全检测之前将波形传播到数据获取系统的模拟信号或波形检测、获取和处理系统。

发明内容

考虑到上述情况，本发明的一个目标是提前模拟信号检测和响应的场(field)。
本发明的另一个目标是提供一种模拟波形信号检测/数据获取系统，其并入了基于负群延迟现象的“信号提前”放大器。
本发明的另一个目标是提供一种模拟波形信号检测/数据获取系统，其可以显著提高用于与被检测的模拟波形或信号相关的各种控制、干涉、抑制、加强、提高、报警、处理和响应过程的仪器和设备的性能。
本发明的另一个目标是提供一种模拟波形信号检测/数据获取系统，其可以提供可靠的方法来研究或执行所施加的刺激响应或信号与在时间上被提前的模拟信号或波形产生时的生理过程或其它过程之间的加强(reinforcement)(负向或正向)。
本发明的另一个目标是提供一种模拟波形或信号检测/数据获取系统，其可以通过控制施加的刺激信号或其它响应输出的时序来可靠地实现真实、实时的响应，以保证与被检测模拟波形或信号产生时的实际过程的实时相长或相消干涉，所述波形或信号包括但不限于实际的生理响应。
本发明的另一个目标是提供一种能够显著提高电子生理学和神经治疗应用的范围的模拟波形信号检测/数据获取系统，所述应用例如EMG、EKG、脊髓X线照片、EEG控制刺激、神经反馈(主动或被动)和其它神经疗法。
本发明的另一个目标是提供一种模拟波形信号检测/数据获取系统，其能够提供新的研究工具来研究模拟信号或波形产生时的机制，包括广泛的生理学和电子生理学机制。
本发明的另一个目标是提供一种模拟波形信号检测/数据获取系统，其能够提高大脑-计算机接口的响应时间和性能。
本发明的另一个目标是提供一种模拟波形信号检测/数据获取系统，其能够产生用于模拟信号或波形的有效和可用的时间信号提前，该模拟信号或波形具有典型的电子生理信号或波形的频谱内容。
本发明的另一个目标是提供一种模拟波形信号检测/数据获取系统，其能够为大范围的被转换模拟信号或波形产生用于模拟信号或波形的有效和可用的时间信号提前，该被转换模拟信号或波形表示出于干涉或控制目的的身体测量。
本发明的另一个目标是提供一种模拟波形信号检测/数据获取系统，其能够为大范围的模拟信号或波形产生用于模拟信号或波形的有效和可用的时间信号提前，以控制产生模拟信号的系统，该模拟信号能够被应用于各种过程。
本发明的另一个目标是提供一种模拟波形信号检测/数据获取系统，其能够产生用于模拟信号的有效和可用的时间信号提前，其中信号或波幅的改变表示从“真”到“假”或从“假”到“真”的二进制状态转变。
为了满足这些及相关的目标，本发明给出了负群延迟带通放大的独特实施方式和使用。其优选实施例被应用于模拟波形信号检测、获取和处理。模拟波形信号检测/数据获取系统将负群延迟带通放大并入模拟波形信号检测、获取和处理中。其结果是用于模拟波形信号的有效和可用的信号提前，特别是具有频谱的较低端的频谱内容的那些模拟波形信号。该可用的信号提前即使不能消除但至少能够减少信号处理延迟，因此具有控制系统、科学、医学和研究的广泛应用。

附图说明

图1一般地描述了获取模拟信号或波形的过程，其典型地涉及通过模拟信号转换、放大、变换(包括但不限于模数变换)的检测及随后的信号处理。它可以包括频谱分解及典型的出于显示或控制目的的信号或数据输出。
图2一般地描述了将“信号提前”放大应用于模拟信号或波形的检测，并由此显著提高系统响应时间。
图3描述了使用高斯脉冲和正弦曲线作为输入波形的简单电子电路的输出到输入的关系，其中输出波峰在输入的波峰之前。
图4示出了这种表现该反直观(counter-intuitive)响应的运算放大器电路的最简单形式，该电路由具有无源线性反馈回路构成的单级运算放大器构成，该回路包括电阻、电容和/或电感组件。
图5示出了群速度，即脉冲/波形的速度。
图6示出了由运算放大器、两个电阻器和两个电容器构成的简单电路，其表现出特定频谱带(正好在放大器的特征频率之下的频率)上的负群延迟属性。
同7示出了“信号提前”放大器电路，其包括电感、电阻和电容组件。
图8示出了与前面图7中的电路类似的电路，并且该电路通过由于使用了不同的电阻器、电容器和电感器值而表现出不同传输函数的每一级级联。
图9描述了信号提前放大器的增益、相位和群延迟特征，其中负群延迟在特定频谱范围内相对固定。上面的图描述了放大器相对于频率的增益。注意该增益在高达200Hz的频谱带都是相对固定的，该频谱带低于且接近于放大器电路的两个特征频率的较低端。中间的图(相位对频率)表示高达近200Hz的正的且相对线性的相位响应。第三个图描述了相对于频率的群延迟。群延迟被定义为相位相对于频率的变化率的负数，并可以在数学上表示为[T(ω)＝-δΨ(ω)/δω](以时间为单位)。
图10示出了怎样通过在有限的频谱范围内级联多个负群延迟放大级(由于伴随但可接受的信号失真，因此以有限的方式)来提高波形提前的持续时间。
图11示出了窄“信号提前”放大器的并行阵列，其中“信号提前”放大器的一些带被级联。放大器的并行阵列可以被配置为产生更为线性的输出-输入响应，其反过来可以产生在感兴趣的特定频谱范围上信号在时间上的提前。

具体实施方式

现代仪器依赖于模拟信号的检测、获取和处理。用来获取和处理这些信号的技术的性能在过去20年中有了很大的提高，但尽管有这些进步，现有的系统在实际产生待检测的模拟波形和对所获取的数据响应的能力之间还是存在不可避免的固有延迟，虽然很小(有些是微秒的数量级)。
近年来，在相对简单的电子电路中表现出负群延迟(NGD)现象，并被表现为在时间上提前高斯脉冲、正弦波形和由多个叠加的正弦分量组成的复杂模拟波形。图3描述了这样的使用高斯脉冲和正弦曲线作为输入波形的电路的输出到输入的关系，其中输出波峰在输入的波峰之前。注意到输出波形相对于输入的失真，其中输出被稍微“倾斜”到左侧，表示引入了更高的频率分量。在有限的频谱带中，该失真是可忽略和线性的，从而有利于对于提前的模拟信号必须真实反映输入信号的特性的应用数字化地对失真进行算法移除。
表现出反直观(counter-intuitive)响应的这种运算放大器电路的最简单形式由具有无源线性反馈回路的单级运算放大器构成，该回路包括电阻、电容和/或电感组件。
典型地，经过无源线性电路的电磁信号或波形将表现出正延迟。但是，高增益运算放大器运作为最小化施加到反相(-)和非反相(+)输入的信号之间的差异。为了满足该功能需求，运算放大器提供了具有负群延迟的信号作为其输出，以将施加到反相(-)输入的无源线性电路偏移正群延迟。为此，负反馈电路产生输出脉冲，该输出脉冲的波峰在输入脉冲的波峰到达输入之前退出电路的输出。
将传输函数反相(invert)的运算放大器结构并非没有先例。负阻抗转换器作用为使电阻负载像一个负的负载那样工作。回转器(gyrator)电路将阻抗变换(invert)使得电容像电感那样工作。
乍一看，这些电路的行为看起来似乎与物理规律矛盾，因为其结果表明被提前的信号传播是超光速的。但是，电磁传播事实上有五个速度来进行特征化：波前速度(front velocity)(突然的信号中断速度，例如，突然开启或关闭的信号)；群速度(脉冲/波形的速度)、相位速度、能量传输速度及最后的，假定的信号速度。尽管波前速度不能超过光速，但是“…the groupvelocity…can be greater than the velocity of light c，can be infinite and evennegative！(…群速度…可以大于光速c，可以是无限甚至是负的！)”[BrillouinL，波传播和群速度，学院出版社，纽约，1960]。为此，在输出处检测电磁脉冲或波形可以先于输入处的检测。在信号波前与群波形的检测之间的时间间隔期间，电磁能量开始通过电路传播。但是，这些初始的微扰直到振动达到足够的量级才能被检测到。但是，在任何模拟波形的早期部分存在足够的信息，以使用高增益运算放大器来再现时间上被提前的波形。
因此，电磁波形的输出(群速度)可以相对于输入被提前——但它不能超过波前速度，并由此为群速度提前建立了理论上限。此外，在许多实验中已经研究了关于“超光速”的问题，在这些实验中输入信号被突然中断，在“提前的”输出波形中引起同时发生的(未提前的)中断和信号断裂，这表现了输入和提前的输出波形之间的因果关系。
在图6中示出了由运算放大器、两个电阻器和两个电容器构成的简单电路，其表现出在特定频谱带范围(正好在放大器的特征频率之下的频率)上的负群延迟属性。对于该电路，定义为输出信号/输入信号的传输函数(Tω)被如下定义：
$T\left(\omega \right)={\tilde{V}}_{\mathrm{out}}/{\tilde{V}}_{\mathrm{in}}=(1+Z_R/Z_C)=1+\frac{\mathrm{i\omega T}}{(1+\mathrm{i\omega aT})(1+\mathrm{i\omega bT})}$
其中，T＝CR，a＝C′/C，b＝R′/R
图7中示出的“信号提前”放大器电路包括电感以及电阻和电容组件。电路分析产生下列传输函数：
$T\left(\omega \right)=1+\frac{1}{R^{\prime }}·\frac{1}{{(R-\mathrm{i\omega L})}^{-1}-\mathrm{i\omega C}}$
与前面的电路类似的电路(图8)通过由于使用了不同的电阻器、电容器和电感器的值而表现出不同传输函数的每一级级联。通过改变这些组件的值，多级“信号提前”放大器可以表现为对于特定的应用在感兴趣的频谱范围内的相对固定的提前。传输函数表示为：
$T\left(\omega \right)=\left[(1+\left(\frac{1}{R2}\right)\left(\frac{1}{r1-\mathrm{i\omega L}1{{)}^{-1}}^{}-\mathrm{i\omega C}1}\right)]\right|[1+\left(\frac{1}{R4}\right)X\left(\frac{1}{{(R3-\mathrm{i\omega L}2)}^{-1}-\mathrm{i\omega C}2}\right)]$
与该传输函数相关的相位由下列公式给出：
Ψ(ω)＝arg[T(ω)
对上述典型的“信号提前”放大器电路的电路分析展示了这样的频谱带，该频谱带表现出与电路的特征或谐振频率邻近的频带的负群延迟。电路是在该负群延迟频谱带之内产生模拟信号提前的。
图9示出了信号提前放大器的增益、相位和群延迟特征，其中负群延迟在特定的频谱范围内相对固定。上面的图描述了放大器相对于频率的增益。该增益在高达200Hz的频谱带都是相对固定的，该频谱带低于且邻近放大器电路的两个特征频率的较低端。中间的图(相位对频率)表示高达200Hz的正的且相对线性的相位响应。第三个图描述了相对于频率的群延迟。群延迟被定义为相位相对于频率的变化率的负数，并在数学上表示为[T(ω)＝-δΨ(ω)/δω](以时间为单位)。再有，相位延迟的斜率是正的并且是相对线性的；因此，其导数是负的，并在小于200Hz的频谱带中是固定的。
基于上述对典型的负延迟电路的详细分析，可以获取的负延迟或信号提前的量与其所施加的模拟波形的频谱内容或频率间接相关，即，对于较低的频率信号，可能有较大的负延迟或信号提前。
注意到负群延迟电路中电感组件的使用有利于复杂的模拟信号在较宽频谱带上的信号提前。如前所述，较大的模拟信号提前与模拟波形的频谱内容间接地成正比。为了在“信号提前”放大器电路中获得更低的特征频率或谐振频率，可以同时需要大的电容和大的电感，因为谐振频率(ωr)近似为${\omega }_r\approx 1/\sqrt{\mathrm{LC}}.$电感器典型地以毫亨(mH)或更低的单位来度量。因此，回转器可以被用来模拟大的电感值(以亨(H)来度量)。
对于许多应用来说，特别是生物医学干涉应用例如电子生理学，时间上提前的输出可以是原始输入波形的高保真表示。在这些应用中，被提前的模拟波形典型地位于较低频率范围内(几百赫兹)。因此，通过使用数字信号处理器可以实现对固有信号失真的补偿，该数字信号处理器以与相对所实现的波形提前持续时间可以忽略的转换率(conversion rate)来操作。可以被用来执行数字滤波和信号重构的多个模数(A-D)转换器和数字信号处理器的响应时间比预期波形提前少下到100、上到1000倍。
通过在有限频谱范围上级联多个负群延迟放大级，可以增加波形提前的持续时间(由于伴随但可接受的信号失真，因此以有限的方式)(图10)。通过级联多个“信号提前”放大级，波形提前可以超过输入脉冲宽度，但是由于每一级中的信号失真的增加和理论上的波前速度限制，最大提前可以局限为是若干脉冲上升时间。
如前所述，数字滤波和信号重构可以应用于减少或消除在所获得的时间波形提前的持续时间的一部分中的波形或信号失真。减少或消除由“信号提前”放大带来较高频率失真(其接近电路的特征频率或谐振频率)在级联连续的放大级以获取波形或信号的时间提前的增加的持续时间时尤其有用。
窄“信号提前”放大器的并行阵列(其中“信号提前”放大器的某些带被级联)(图11)可以被配置为产生更为线性的输入-输出响应。这提供了一种获取在感兴趣的特定频谱范围上的信号或波形的时间提前的机制，因为窄频谱带可以被调谐为通过使用正是如此的级联布局来检测输入模拟信号或波形的特定示象(aspect)。
为此，对于在模拟信号或波形检测、获取和处理中使用的大范围的仪器，使用“信号提前”放大的方法可以显著扩大控制和生物医学应用的范围。
在将“信号提前”放大实际应用于模拟信号检测、获取和处理时的基本考虑是，实现足够的信号提前以允许可用的响应。因此，实际的“信号提前”放大器的设计必须从对要提前的模拟波形的详细分析开始，以便确定电路必须要设计的波形特征。放大器设计必须考虑包括频率范围、包含信号的脉冲宽度(或持续时间)、脉冲形状等在内的波形特征。
第二个考虑是，在确定可以获取的信号提前之后，基于获取的时间提前的持续时间来确定产生可用响应的电位。可能需要级联多级或使用并行“信号提前”路径来检测模拟波形的不同示象。这是一种给定对于本技术的实际应用很关键的可用的提前信号或波形检测来提供可用响应的能力。
对于本发明的一些潜在应用来说，信号失真几乎没有或完全没有影响。一个例子是模拟脉冲的检测，其中幅度的不同或只存在脉冲表示二进制状态、阈值条件或其它真/假转变上的变化。在ECG/EKG(Electro-Cardiograph，电子心电图)波形检测中，只要“信号提前”放大产生的信号失真是稳定的，稍有失真的PQRST波形对于异常波形图的检测来说就仍然是可以接受的。其它应用例如神经反馈，当信号失真对于治疗应用来说是很重要的频谱内容时，可能需要信号失真的移除或对信号失真的补偿或者从移除或补偿中受益。
为了开发一种用于补偿产生于“信号提前”放大的失真的机制，必须针对特定的频谱范围并以适于被检测模拟波形的分辨率来特征化在提前的模拟信号或波形中产生的失真。为了产生可以被用来设计用于重构原始模拟输入信号或波形的方法和算法的数据，提供同步的高抽样率和较宽的带宽模拟数据抽样和信号产生能力的信号产生和数据获取系统被用来产生高仿真模拟输入信号并获取时间上提前的模拟输出信号或波形。通过将快速傅里叶变换(FFT)分析应用于来自每个“信号提前”放大级的输入和输出信号，可以获得输入和输出信号二者的频谱分解。对各个信号的频谱内容的比较可以提供用于特征化并数字地重构原始模拟输入波形的频谱内容的数据。
由于失真是极小的并在窄带中是一致的，因此对于特定应用，如上所述根据经验获得的数据可以被用来特征化失真并设计随后数字地移除失真的方法。例如，简单的“查找”表可以被并入到内嵌硬件，其针对原始输入信号将提前信号或波形的频谱分解分量用等价幅度和频率数据来替换。
尽管本发明参考了特定实施例来描述，但是本说明书不应从限制意义上来理解。在参照本发明的说明书时，对公开的实施例的各种修改以及本发明的替换实施例对于本领域技术人员来说将变得明显。因此，预期所附权利要求书将覆盖落入本发明范围的这些修改。
优先权申请的引用
本申请要求于2009年3月9日申请的序列号为60,893,983的美国临时专利申请的优先权。