德州理工大學運用LabVIEW與PXI偵測遠端醫療所需的人類生理RF信號

　　挑戰:

　　針對人體生命跡象，構建非接觸式遠端偵測系統原型，具備一定的靈活性以證實新的信號處理方式與結構概念。

　　解決方案:

　　運用NI LabVIEW系統設計軟件與NI PXI硬件，打造出連續多普勒雷達系統，此系統可套用多普勒效應以測量人類生理信號。 這款收發器系統配備了2個平板天線與NI PXIe-8133控制器，可測量生命跡象，并且還在LabVIEW中添加了實時信號處理功能。

　　人體生命跡象的非接觸式遠端偵測系統引起了科學界與業界的高度關注，因為此系統還能夠搜尋地震生還者、追蹤腫瘤、管理智能型電子醫療、監控熟睡中的嬰兒或成人以便及早發現異常的呼吸狀況。 雖然在2000年之前，非接觸式生命跡象偵測系統的概念就已經出現了，但本世紀以來人類陸續開發出高級硬件與信號處理演算法，相關的技術研究也就變得越來越深入。

　　需要PXI架構的非接觸式生命跡象偵測器

　　早在我們的研究之前，多普勒雷達技術就已用來感測生理活動。 不過這些技術大多采用儀器架構，需要不少高級RF/微波元件，例如頻譜分析儀、信號發生器、信號分析儀等， 所以生物雷達系統的造價非常高。 此外，一旦開始測量，就必須使用不同的技術來執行后續的信號處理。 然而，我們選用了NI PXI硬件來實現此系統，無需零散的微波元件，也可以通過LabVIEW實時處理信號，同時采集數據。

　　系統需求與設置

　　PXI構架的雷達系統需要下列儀器：

　　· NI PXIe-5663矢量信號分析儀(VSA)包含了NI PXIe-5652 RF信號生成器、NI PXIe-5601 RF下變頻器、NI PXIe-562216 位IF數字化儀
　　· NI PXIe-5673矢量信號發生器(VSG)包含了NI PXIe-5450 400 MS/s I/Q信號發生器、NI PXIe-5611 I/Q矢量調制器和NI PXI-5652
　　· NI PXI-5691前置放大器
　　· 2個平板天線，可以其他類型的天線取代

　　整個PXI儀器安裝在PXIe-1075機箱內，并且由PXIe-8133所控制。 此外也可選用其他類型的機箱與控制器。

　　圖1為整個系統的連接設定。 NI PXIe-5673 VSG會生成5.8 GHz的單音信號，傳輸天線(Tx)則會把此信號傳輸至待測物。 一旦接觸到人體此信號就會反彈，并且通過呼吸與心跳等生理運動而受到調制。 接收天線(Rx)會捕捉已反射的信號，而PXI-5691前置放大器則會初步放大此信號。 接著所收到的信號會提供給NI PXIe-5663 VSA，在此NI PXIe-5601會初步將此信號下變頻，同時NI PXIe-5652會提供5.8 GHz的局部振蕩器(LO)信號。 然后NI PXIe-5622會把IF信號數字化， 最后該信號會分為I與Q通道輸出。

　　選擇平板天線的原因是可以通過和VSG產生的相同頻率來傳輸/接收信號。 我們這次演示將輸出功率設為5 dBm，這也是VSG的輸出功率準位最大值。

　　請注意，在理想的情況下，單個LO可用于傳輸器與接收器，以便充分發揮范圍相關效應的優勢，進一步避免振蕩器的相位噪音。 然而，如果VSA與VSG使用兩個不同的LO，就可以更輕松的控制硬件。 為了同步VSG與VSA，我們把PXI 10 MHz背板始終源當作參考時鐘源。 然而，該方法也有不利之處，那就是無法確保傳輸器與接收器之間的密切同步性。