Реализация алгоритмов цифровой обработки сигналов в биомедицинских электронных устройствах в базисе плис фирмы Хilinx

Abstract

В современных инженерных задачах процесс создания полностью цифровых биомедицинских диагностических устройств предполагает глубокие знания как в цифровой электронике, так и в цифровой обработке биомедицинских сигналов [1-3]. Целью данной работы является разработка инженерного подхода аппаратной (жесткой логики) реализации базовых алгоритмов цифровой обработки сигналов (ЦОС) используемых в биомедицинских электронных устройствах на основе программируемых логических интегральных схем. Процесс аппаратной реализации базовых алгоритмов цифровой обработки сигналов можно разделить на три основных этапа. На первом этапе проводится вычисление амплитудных значений отсчетов дискретных импульсных характеристик фильтра нижних частот и фильтра Гильберта в приложении FDATool среды Matlab. На следующем этапе в приложении Simulink выполняется имитационное моделирование (симуляция) на основе результатов первого этапа, и на этапе аппаратной реализации на программируемой логической интегральной схеме Xilinx серии Spartan 6 проводится как симуляция цепей ЦОС в системе проектирования Xilinx ISE, так и непосредственно экспериментальные измерения. В качестве примера натурной реализации базовых алгоритмов ЦОС в биомедицинских устройствах был выбран демодулятор амплитудно-модулированных колебаний. Экспериментальным путем были проведены измерения коэффициента нелинейных искажений продетектированного (информационного) сигнала для трех вариантов АМ демодуляторов: двухполупериодный, с применением функции квадратного корня и синхронного с фазовой автоподстройкой частоты. В ходе экспериментального исследования был выбран оптимальный с точки зрения энергетической эффективности коэффициент модуляции равный 60 %. Как показывают и результаты имитационного моделирования и экспериментального исследования наилучшим вариантом оказался синхронный демодулятор. Полученные результаты эксперимента и моделирования подтвердили практическую применимость предложенного варианта реализации в ЦОС для использования их в биомедицинских электронных устройствах.The process of creating fully digital biomedical diagnostic devices involves deep knowledge in both digital electronics and digital biomedical signals processing [1-3]. The purpose of this paper is development of the engineering approach of hardware implementation of basic digital signal processing algorithms (DSP) applied in biomedical electronic devices based on programmable logic integrated circuits. The processes of hardware implementation of the basic algorithms for digital signal processing (DSP) can be divided into three main steps. At the first step, the amplitude values of the samples of discrete pulse characteristics of the low-pass filter and the Hilbert filter are calculated in the FDATool application of the Matlab. At the next step, the Simulink application performs simulation modeling based on the results of the first step, and at the hardware implementation step, the field programmable gate array Xilinx Spartan 6 is used to simulate DSP circuits in the Xilinx ISE design system, as well as directly measured measurements. The amplitude-modulated oscillations demodulator was chosen as an example of the full-scale implementation of basic DSP algorithms in biomedical devices. Experimental measurements were made of the nonlinear distortion coefficient of the detected (informational) signal for three variants of amplitude modulation demodulators: full-wave, using the square root function and synchronous with phase locked loop. During the experimental study, an optimal modulation factor of 60% was chosen from the point of view of energy efficiency. As the results of simulation and experimental studies show, the synchronous demodulat or has turned out to be the best option.The obtained results of the experiment and simulation have confirmed the practical applicability of the proposed embodiment in DSP for use in biomedical electronic devices.