生物電阻抗測量系統(tǒng)中弱信號檢測技術(shù)研究--正交雙激勵(lì)信號檢測方法

正交雙激勵(lì)數(shù)字相敏檢波方法充分利用激勵(lì)源發(fā)出的信號的特征，在兩路信號進(jìn)入被測網(wǎng)絡(luò)前確保其正交，即讓余弦激勵(lì)信號通過待測網(wǎng)絡(luò)，與一組同頻率正交信號相乘得到y(tǒng)1（n）和y2（ n ），然后讓同頻正弦激勵(lì)信號通過待測網(wǎng)絡(luò)，得到y(tǒng)3（ n ）和y4（ n ），將得到的信號經(jīng)過線性運(yùn)算即可消除高頻分量。

3.3.2正交雙激勵(lì)數(shù)字相敏檢波理論分析

正交雙激勵(lì)數(shù)字相敏檢波方法是在DPSD算法基礎(chǔ)上提出的，在理論上還延續(xù)著DPSD的部分核心思想。例如，D-DPSD還是采用數(shù)字正弦波或余弦波進(jìn)入被測網(wǎng)絡(luò)，每路信號通過被測網(wǎng)絡(luò)之后還是采用與正交同頻信號相乘的方式解調(diào)。不同的是，D-DPSD檢測方式的用兩路保持正交的信號進(jìn)入被測網(wǎng)絡(luò)。首先讓余弦激勵(lì)信號通過待測網(wǎng)絡(luò)，與一組同頻率正交信號相乘得到y(tǒng)1（n）和y2（ n ），然后讓同頻正弦激勵(lì)信號通過待測網(wǎng)絡(luò)，得到y(tǒng)3（ n ）和y4（ n ），如下所示：

再由（3.15）、（3.16）得到的A sinθ和A cosθ進(jìn)行以下運(yùn)算，即可求得目標(biāo)值θ^*和A^*：

3.4 DPSD與D-DPSD仿真分析

3.4.1仿真實(shí)驗(yàn)為驗(yàn)證數(shù)字正交鑒幅鑒相結(jié)果，在System Generator上搭建了模型系統(tǒng)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。

System Generator是Xilinx公司的系統(tǒng)級建模工具，在很多方面擴(kuò)展了MathWorks公司的similink平臺，提供了適合硬件設(shè)計(jì)的是數(shù)字信號處理（DSP）建模環(huán)境，加速了、簡化了FPGA的DSP系統(tǒng)級硬件設(shè)計(jì)，所搭建的系統(tǒng)可直接生產(chǎn)比特流在FPGA中運(yùn)行。System Generator提供了系統(tǒng)級設(shè)計(jì)能力，允許在相同的環(huán)境內(nèi)進(jìn)行軟硬件協(xié)同仿真、執(zhí)行和驗(yàn)證，并不需要書寫VHDL代碼。在System Generator設(shè)計(jì)中，利用其強(qiáng)大的信號處理能力，調(diào)用各個(gè)功能模塊，實(shí)現(xiàn)單激勵(lì)數(shù)字相敏檢波和正交雙激勵(lì)數(shù)字相敏檢波方法的仿真，其中AD采樣數(shù)據(jù)經(jīng)掛接在PLB總線上的IP Core進(jìn)行處理后傳給System Generator處理單元，數(shù)據(jù)進(jìn)入處理單元后首先進(jìn)行數(shù)據(jù)類變換，然后分別送入乘法器進(jìn)行正交相乘運(yùn)算，將運(yùn)算結(jié)果送到上位機(jī)進(jìn)行處理。

針對本文單激勵(lì)數(shù)字相敏算法，搭建的仿真系統(tǒng)圖如圖3.7所示。

其仿真結(jié)果可以在Wavescope中顯示，也可以通過軟件從文件中調(diào)出加以檢測。本文通過MATLAB中的Editor工具調(diào)用System Generator中所產(chǎn)生的兩個(gè)文件：cos.mat和sin.mat.

同樣，按正交雙激勵(lì)數(shù)字相敏檢波方法搭建D-DPSD仿真系統(tǒng)，系統(tǒng)圖如圖3.8所示。

圖3.8為純凈情況下的仿真系統(tǒng)圖，現(xiàn)實(shí)情況中，當(dāng)激勵(lì)信號輸入系統(tǒng)時(shí)，往往伴有噪聲輸入。搭建仿真系統(tǒng)時(shí)，加入白噪聲和隨機(jī)噪聲進(jìn)行仿真，如圖3.9所示。將噪聲加入正、余弦激勵(lì)信號Wave0并與Wave0一起輸入系統(tǒng)，與其同頻的一組正交信號Wave1相乘，將最后所得結(jié)果存入cos.mat文件和sin.mat文件中，然后再用MATLAB中的Editor工具調(diào)用這兩個(gè)文件顯示仿真結(jié)果。

3.4.2 DPSD與D-DPSD仿真對比

將上一節(jié)中搭建的三個(gè)系統(tǒng)的輸出結(jié)構(gòu)通過Gateway Out輸出到cos.mat文件和sin.mat文件中，然后再用MATLAB中的Editor工具調(diào)用這兩個(gè)文件，對其幅度相位進(jìn)行處理后顯示仿真結(jié)果，將其結(jié)果顯示為相應(yīng)的三角函數(shù)值。

要提取信號的幅度和相位值，最有效的方法是先提取信號的正弦和余弦值，如果這兩個(gè)值在一定數(shù)值上平穩(wěn)，則代表這種方法鑒別信號幅度相位是有效的，越平穩(wěn)，性能就越高。