Аппаратная реализация фазовой автоподстройки частоты в биомедицинских диагностических устройствах

Abstract

Данная работа посвящена реализации синхронного демодулятора амплитудно-модулированных сигналов средствами цифровой обработки сигналов для повышения объема диагностической информации биомедицинских устройств. Особенностью реализуемого демодулятора является применение системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), которая обеспечивая высокую чувствительность детектора, позволяет обрабатывать сигналы с малой мощностью. Для создания математической модели разрабатываемого демодулятора была составлена структурная схема ФАПЧ. При построении структурной схемы модели ФАПЧ, состоящая в данном случае из управляемого косинус-синусный генератора и петлевого фильтра учитывалось, что они работают в дискретном времени т. е. реализация этих схем будет выполнена полностью в цифровом виде. В результате расчета была получена передаточная характеристика и разностное уравнение петлевого фильтра (пропорционально-интегрирующего типа) для ФАПЧ второго порядка, а далее проведено имитационное моделирование рассчитанной системы ФАПЧ в приложении Simulink в пакете MatLab. Используя полученные формулы была написана программа для определения таких коэффициентов передачи петлевого фильтра, которые смогут обеспечить номинальную работу систему ФАПЧ. Полученные результаты имитационного моделирования подтвердили, что разработанный вариант петлевого фильтра обеспечивает широкую полосу захвата при одновременном подавлении дрожания фазы. Далее была составлена программа на языке Verilog c целью натурной реализации спроектированного демодулятора на основе программируемой логической интегральной схемы Xilinx серии Spartan 6 в системе проектирования Xilinx ISE. С целью верификации разработанного программного кода аппаратной реализации демодулятора в системе проектирования Xilinx ISE была проведена программная симуляцию входного сигналу в Testbench с одновременным использованием приложения ISIM, а визуализацию результатов симуляции - в GTKWave. Полученные экспериментальные результаты синтезированного демодулятора подтвердили результаты имитационного моделирования.This paper is devoted to the implementation of synchronous demodulator of amplitude-modulated signals by means of digital signal processing to increase the amount of diagnostic information of biomedical devices. A feature of the implemented demo-dulator is the usage of a phase-locked loop system, which, while ensuring high sensitivity of the demodulator, allows processing signals with low power. To create a mathematical model of the demodulator being developed, a phase-locked loop structure chart was drawn up. When drawing up a block diagram of the PLL model, which in this case consists of a numerically controlled cosine-sine oscillator and a loop filter, it was taken into account that they operate in discrete time, i. e. the implementation of these schemes will be performed entirely in digital form. As a result of the calculation, the transfer characteristic and difference equation of the loop filter (proportional-integrating type) for second-order of phase-locked loop were obtained, and then the simulation of the calculated phase-locked loop system was carried out in the Simulink application in MatLab. Using the formulas obtained, a program was written to determine such loop transfer coefficients that can ensure the nominal operation of the phase-locked loop. The obtained simulation results confirmed that the developed version of the loop filter provides a wide capture band while simultaneously suppressing phase jitter. At the next step, a computer program was compiled in the Verilog language with the purpose of the full-scale implementation of the designed demodulator based on the field-programmable gate arrayt debugging board such as Spartan 6 Xil-inx with the Xilinx ISE design system. In order to verify the developed software code for the hardware implementation of the demod-ulator in the Xilinx ISE design system, a software simulation of the input signal in Testbench with simultaneous use of the I SIM application was performed, and the simulation results were visualized in GTKWave. The obtained experimental results of the synthesized demodulator confirmed the results of simulation modeling.