生物電阻抗測量系統(tǒng)中弱信號檢測技術研究--正交雙激勵信號檢測方法(二)

3.3正交雙激勵數(shù)字相敏檢波方法

3.3.1正交雙激勵數(shù)字相敏檢波原理

數(shù)字相敏檢波技術能夠有效提取被測信號的幅度和相位，隨著累積周期的增加，系統(tǒng)的整體誤差將減小。但是隨著周期的增加，檢波的時間也跟著會增加，以這種方式檢波時，將系統(tǒng)整體誤差減小是以時間為代價換來的。為解決單激勵DPSD存在較大系統(tǒng)誤差的缺點，本文提出一種正交雙激勵數(shù)字相敏檢波方法（D-DPSD），其測量原理如圖3.6所示。

正交雙激勵數(shù)字相敏檢波方法充分利用激勵源發(fā)出的信號的特征，在兩路信號進入被測網(wǎng)絡前確保其正交，即讓余弦激勵信號通過待測網(wǎng)絡，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信號通過待測網(wǎng)絡，得到y(tǒng)3（ n ）和y4（ n ），將得到的信號經(jīng)過線性運算即可消除高頻分量。

3.3.2正交雙激勵數(shù)字相敏檢波理論分析

正交雙激勵數(shù)字相敏檢波方法是在DPSD算法基礎上提出的，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入被測網(wǎng)絡，每路信號通過被測網(wǎng)絡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入被測網(wǎng)絡。首先讓余弦激勵信號通過待測網(wǎng)絡，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信號通過待測網(wǎng)絡，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進行以下運算，即可求得目標值θ^*和A^*：

3.4 DPSD與D-DPSD仿真分析

3.4.1仿真實驗為驗證數(shù)字正交鑒幅鑒相結果，在System Generator上搭建了模型系統(tǒng)進行仿真實驗。

System Generator是Xilinx公司的系統(tǒng)級建模工具，在很多方面擴展了MathWorks公司的similink平臺，提供了適合硬件設計的是數(shù)字信號處理（DSP）建模環(huán)境，加速了、簡化了FPGA的DSP系統(tǒng)級硬件設計，所搭建的系統(tǒng)可直接生產(chǎn)比特流在FPGA中運行。System Generator提供了系統(tǒng)級設計能力，允許在相同的環(huán)境內(nèi)進行軟硬件協(xié)同仿真、執(zhí)行和驗證，并不需要書寫VHDL代碼。在System Generator設計中，利用其強大的信號處理能力，調(diào)用各個功能模塊，實現(xiàn)單激勵數(shù)字相敏檢波和正交雙激勵數(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進行處理后傳給System Generator處理單元，數(shù)據(jù)進入處理單元后首先進行數(shù)據(jù)類變換，然后分別送入乘法器進行正交相乘運算，將運算結果送到上位機進行處理。

針對本文單激勵數(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)生的兩個文件：cos.mat和sin.mat.

同樣，按正交雙激勵數(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)實情況中，當激勵信號輸入系統(tǒng)時，往往伴有噪聲輸入。搭建仿真系統(tǒng)時，加入白噪聲和隨機噪聲進行仿真，如圖3.9所示。將噪聲加入正、余弦激勵信號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)用這兩個文件顯示仿真結果。

3.4.2 DPSD與D-DPSD仿真對比

將上一節(jié)中搭建的三個系統(tǒng)的輸出結構通過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)用這兩個文件，對其幅度相位進行處理后顯示仿真結果，將其結果顯示為相應的三角函數(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。

3.4.2.1 DPSD仿真分析

利用圖3.7所示的仿真系統(tǒng)進行仿真，將參數(shù)設定為：輸入信號一個周期的量化點數(shù)為10，輸入信號的相位偏移分別為0°和45°?？傻玫浇Y果如圖3.10所示的仿真結果圖。

仿真結果圖中，橫坐標為累加的點數(shù)，縱坐標為相應的三角函數(shù)值。由圖3.10的仿真結果表明，信號通過網(wǎng)絡后，被提出來的正余弦值與設定相位的正余弦值基本一致，因此這種方法是可行的。

3.4.2.2 D-DPSD仿真分析利

用圖3.8所示的仿真系統(tǒng)進行D-DPSD方法仿真。將參數(shù)設定為：輸入信號一個周期的量化點數(shù)為10，輸入信號的相位偏移分別為0°和45°。可得到如圖3.11所示的仿真結果圖。

仿真結果表明，信號通過網(wǎng)絡后，被提出來的正余弦值與設定相位的正余弦值一致，因此這種方法可以更精確的計算出信號的幅度和相位。

現(xiàn)實情況中，當激勵信號輸入系統(tǒng)時，往往伴有隨機噪聲和白噪聲輸入。運行圖3.9所搭建的仿真系統(tǒng)，得到加噪情況下的仿真結果如圖3.12所示。

仿真結果表明，信號通過網(wǎng)絡后，被提出來的正余弦值與設定相位的正余弦值基本一致，信號平穩(wěn)，因此這種方法可以得到信號的幅度和相位。

3.4.2.3 D-DPSD與DPSD仿真分析

對比D-DPSD算法在DPSD算法基礎上提出，將D-DPSD仿真結果與DPSD在相同條件下的仿真結果進行對比，如圖3.13所示。由圖可知，D-DPSD算法仿真結果明顯平穩(wěn)，誤差浮動范圍有所減小。因此，D-DPSD減小了DPSD算法累積產(chǎn)生的誤差，從而使整個系統(tǒng)的誤差得到減小，提高了系統(tǒng)測量信號幅度和相位的精度。

分析測量過程，測量精度主要受AD采樣、乘法器截斷誤差以及累加器截斷誤差影響。只要設計采用12位以上AD進行采樣，并保證差分輸入峰峰值為±1.024V.可計算其量化誤差為：

量化范圍為-V到+V，L為量化間隔數(shù)。

為提高測量精度，乘法器和累加器分別采用采用24位和40位，消除截斷誤差的影響，這樣累加器輸出的結果理論誤差為0.0005V，只要保證AD輸入信號幅度較大，系統(tǒng)誤差可以遠小于5%，可滿足生物電阻抗測量要求。