DOI: https://doi.org/10.20998/2409-9295.2019.20.21

Реалізація алгоритмів цифрової обробки сигналів в біомедичних електроних пристроїв в базисі ПЛІС фирми XILINX

Александр Сотник

Анотація


В сучасних інженерних задачах процес створення повністю цифрових біомедичних діагностичних пристроїв передбачає глибокі знання розробника як в цифровій електроніці, так і в цифровій обробці біомедичних сигналів. Метою даної роботи є розробка інженерного підходу апаратної (жорсткої логіки) реалізації базових алгоритмів цифрової обробки сигналів (ЦОС), що використовуються в біомедичних електронних пристроях на основі програмованих логічних інтегральних схем. Процес апаратної реалізації базових алгоритмів цифрової обробки сигналів в даній роботі можна розділити на три основні етапи.  На першому етапі проводиться обчислення амплітудних значень відліків дискретних імпульсних характеристик фільтра нижніх частот і фільтра Гільберта в додатку FDATool середовища Matlab. На наступному етапі в додатку Simulink виконується імітаційне моделювання (симуляція) на основі результатів першого етапу, і на етапі апаратної реалізації на програмованої логічної інтегральної схемою Xilinx серії Spartan 6 проводиться як симуляція кіл ЦОС в системі проектування Xilinx ISE, так і безпосередньо експериментальні вимірювання. Як приклад натурної реалізації базових алгоритмів ЦОС в біомедичних пристроях був обраний демодулятор амплітудно-модульованих коливань. Експериментальним шляхом було проведено вимірювання коефіцієнта нелінійних спотворень продетектованного (інформаційного) сигналу для трьох варіантів АМ демодуляторів: двопівперіодний, із застосуванням функції квадратного кореня та синхронного з фазовим автопідстроюванням частоти. В ході експериментального дослідження було обрано оптимальний з точки зору енергетичної ефективності коефіцієнт модуляції, що  дорівнює 60%. Як показують і результати імітаційного моделювання та експериментального дослідження найкращим варіантом виявився синхронний демодулятор. Отримані результати експерименту і моделювання підтвердили корктність  застосування запропонованого варіанту реалізації алгоритмів ЦОС для використання їх в біомедичних електронних пристроях.

Ключові слова


Цифровий фильтр; перетворювач Гільберта; прямий цифровий синтез; демодулятор; амплітудна демодуляція; цифрова обробка сигналів.

Повний текст:

PDF (Русский)

Посилання


E. Ozpolat, B. Karakaya, T. Kaya and A. Gulten, "FPGA-based digital Filter Design for Biomedical Signal," 2016 XII International Conference on Perspective Technologies and Methods in MEMS Design (MEMSTECH), Lviv, 2016, pp. 70-73. doi:10.1109/MEMSTECH.2016.7507523.

Zarifi, M.H., J. Frounchi, S. Asgarifar and M. Baradaran Nia, "FPGA implementation of a fully digital demodulation technique for biomedical application," 2008 Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering, Niagara Falls, ON, 2008, pp. 001265-001268. doi: 10.1109/CCECE.2008.4564742

N. Pallavi, P. Anjaneyulu, P. B. Reddy, V. Mahendra and R. Karthik "Design and implementation of linear frequency modulated waveform using DDS and FPGA," 2017 International conference of Electronics, Communication and Aerospace Technology (ICECA), Coimbatore, 2017, pp. 237-241. doi: 10.1109/ICECA.2017.8212806

Xiaoyan Jiang and Yujun Bao "FIR filter design based on FPGA," 2010 International Conference on Computer Application and System Modeling (ICCASM 2010), Taiyuan, 2010, pp. V13-621-V13-624. doi: 10.1109/ICCASM.2010.5622482.

S. Khan and Z. A. Jaffery, "Low power FIR filter implementation on FPGA using parallel Distributed Arithmetic," 2015 Annual IEEE India Conference (INDICON), New Delhi, 2015, pp. 1-5. doi: 10.1109/INDICON.2015.7443314

S. Rengaprakash et al., "FPGA implementation of fast running FIR filters," 2017 International Conference on Wireless Communications, Signal Processing and Networking (WiSPNET), Chennai, 2017, pp. 1282-1286. doi: 10.1109/WiSPNET.2017.8299970

A. A. Prince, P. K. Verma, C. Jayakumar and D. Raju, "Efficient architecture for real time implementation of Hilbert Transform in FPGA," 2015 IEEE International Conference on Electrical, Computer and Communication Technologies (ICECCT), Coimbatore, 2015, pp. 1-5. doi: 10.1109/ICECCT.2015.7226158

M. Kumm and M. S. Sanjari, "Digital hilbert transformers for FPGA-based phase-locked loops," 2008 International Conference on Field Programmable Logic and Applications, Heidelberg, 2008, pp. 251-256. doi: 10.1109/FPL.2008.4629940.

M. Aggarwal, R. Barsainya and T. K. Rawat, "FPGA implementation of Hilbert transformer based on lattice wave digital filters," 2015 4th International Conference on Reliability, Infocom Technologies and Optimization (ICRITO) (Trends and Future Directions), Noida, 2015, pp. 1-5. doi: 10.1109/ICRITO.2015.7359331

X. Wang and Q. Mei, "High-Precision Design of DDS Based on FPGA," 2012 Third Global Congress on Intelligent Systems, Wuhan, 2012, pp. 386-389. doi: 10.1109/GCIS.2012.20

H. Yang, S. Ryu, H. Lee, S. Lee, S. Yong and J. Kim, "Implementation of DDS chirp signal generator on FPGA," 2014 International Conference on Information and Communication Technology Convergence (ICTC), Busan, 2014, pp. 956-959. doi: 10.1109/ICTC.2014.6983343.

C. Shan, Z. Chen, H. Yuan and W. Hu, "Design and implementation of a FPGA-based direct digital synthesizer," 2011 International Conference on Electrical and Control Engineering, Yichang, 2011, pp. 614-617. doi: 10.1109/ICECENG.2011.6057152