DOI: https://doi.org/10.20998/2409-9295.2019.20.20

Апаратна реалізація фазової автопідстройки частоти в біомедичних діагностичних пристроях

Сергей Карминович Мещанинов, Сергей Викторович Марченко, Александр Анатолиевич Сотник, Елена Михайловна Гулеша

Анотація


Дана робота присвячена реалізації синхронного демодулятору амплітудно-модульованих сигналів засобами цифрової обробки сигналів для підвищення обсягу діагностичної інформації біомедичних пристроїв. Особливістю реалізованого демодулятора є застосування системи фазового автопідстроювання частоти (ФАПЧ), яка забезпечуючи високу чутливість детектора, дозволяє обробляти сигнали з малою потужністю. Для створення математичної моделі демодулятора, що розробляється була складена структурна схема ФАПЧ. При створені структурної схеми моделі ФАПЧ, що складається в даному випадку з керованого косинус-синусний генератора і петльового фільтру враховувалося, що вони працюють в дискретному часі тобто реалізації цих схем буде виконана повністю в цифровому вигляді. В результаті розрахунку була отримана передавальна характеристика та різницеве рівняння петльового фільтру (пропорційно-інтегруючого типу) для ФАПЧ другого порядку, а далі проведено імітаційне моделювання розрахованої системи ФАПЧ  в додатку Simulink в пакеті MatLab. Використовуючи отримані формули була написана програма для визначення таких коефіцієнтів передачі петлевого фільтру, які зможуть забезпечити роботу систему ФАПЧ в складі амплітудного демодулятору. Отримані результати імітаційного моделювання підтвердили, що розроблений варіант петльового фільтру забезпечує широку смугу захоплення при одночасному придушенні тремтіння фази. Далі була складена програма на мові опису апаратури Verilog c метою натурної реалізації спроектованого демодулятора на основі програмованої логічної інтегральної схеми Xilinx серії Spartan 6 в системі проектування Xilinx ISE 14.7. З метою верифікації розробленого програмного коду апаратної реалізації демодулятора в системі проектування Xilinx ISE була проведена програмна симуляцію вхідного сигналу в Testbench з одночасним використанням додатка ISIM, а візуалізацію результатів симуляції - в програмі GTKWave. Отримані експериментальні результати дослідження синтезованого демодулятора підтвердили результати імітаційного моделювання

Ключові слова


Демодулятор; амплітудна модуляція; фазова автопідстройка частоти; петльовий фільтр, моделирование; цифровая обработка сигналов.

Повний текст:

PDF (Русский)

Посилання


Rodriguez V., M. Pattichis, and M. Goens, “M-mode echocardiography image and video segmentation based on AM-FM demodulation techniques,” in 25th Intern. Conf. of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society, vol. 2, September 2003, pp. 1176–1179. doi: 10.1109/IEMBS.2003.1279459.

M. Y. Elshinawy, Jianchao Zeng, S.-C. B. Lo, and M. F. Chouikha, "Breast cancer detection in mammogram with AM-FM modeling and gabor filtering," in Proc. 7th International Conference on Signal Processing, Aug. 31-Sept. 4, 2004, vol. 3, pp. 2564-2567. doi: 10.1109/ICOSP.2004.1442305

V. Murray, P. Rodriguez, and M. Pattichis, "Multi-scale AM-FM demodulation and image reconstruction methods with improved accuracy,"IEEE Transactions on Image Processing, vol. 19, no. 5, pp. 1138 -1152, May 2010. doi: 10.1109/TIP.2010.2040446

Victor Murray, Marios S. Pattichis, Peter Soliz, "Multiscale directional AM-FM demodulation of images using a 2D optimized method", Image Processing (ICIP) 2011 18th IEEE International Conference on, pp. 249-252, 2011. doi: 10.1109/ICIP.2011.6116169

E. S. Barriga et al., "Multi-scale AM-FM for lesion phenotyping on age-related macular degeneration, 2009 22nd IEEE International Symposium on Computer-Based Medical Systems, Albuquerque, NM, 2009, pp. 1-5.doi: 10.1109/CBMS.2009.5255398.

M. S. Pattichis, "Multidimensional AM-FM models and methods for biomedical image computing," 2009 Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society, Minneapolis, MN, 2009, pp.56415644. doi: 10.1109/IEMBS.2009.5333763

Kratyuk, P. Hanumolu, K. Mayaram, U. Moon, "A design procedure for all-digital phase-locked loops based on a charge-pump phase-locked-loop analogy", IEEE Trans. Circuits Syst. II, vol. 54, pp. 247-251, Mar. 2007. doi: 10.1109/TCSII.2006.889443

R. B. Staszewski and P. T. Balsara, “Phase-domain alldigital phaselocked loop,” IEEE Trans. Circuits Syst. II, Exp. Briefs, vol. 52, no. 3, pp. 159–163, Mar. 2005.

A. L. Makarevich, A. N. Kinash, M. S. Tokar and V. A. Chubarov, "Performance analysis of PLL components in digital synchronization systems for high-speed applications," 2018Systems of Signal Synchronization, Generating and Processing in Telecommunications, Minsk, 2018, pp. 13. doi: 10.1109/SYNCHROINFO.2018.8457030

B. Ghafari, L. Koushaeian and F. Goodarzy, "New architecture for an ultra low power and low noise PLL for biomedical applications," 2013 IEEE Global High Tech Cong/ on Electronics, Shenzhen, 2013, pp. 61-62. doi: 10.1109/GHTCE.2013.6767241

Uspalenko, V.B., Pavlov, А.N., Pogudin А.L. Issledovanie tsifrovoj avtopodstrojki chastoty (. Study of digital phased locked loop)/ , // Elektrotekhnika, informatsionnye tekhnologii, sistemy upravleniya -2015. - № 15. – C. 5-20.

Bormontov, E.N., Klyukin, V.N., Bystritskij, S.А. Аnaliz stabil'nosti parametrov vykhodnykh signalov vsisteme FАPCH dlya PLIS (Analysis of the stability of the parameters of the output signals in the PLL system for the FPGA)// Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta.— 2010.— T. 6.— № 7.— S. 123–127.