基于FPGA的生命探測儀算法研究與系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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回波信號除了生命信號外，還包含有雜波和噪聲等客觀存在的信號，主要包括地表物體、云雨和人為施放的干擾等。墻壁等固定物體的回波和干擾信號可以建模成高斯色噪聲，人體的呼吸、心跳信號可以建模成諧波過程，因此可假設(shè)接收的回波信號模型為：
本文所述的生命探測雷達(dá)系統(tǒng)采用1．5 GHz的工作頻率。根據(jù)正常人的生命體征參數(shù)可以進(jìn)行多普勒頻率的估計(jì)。平靜狀態(tài)下人的心跳頻率大約是60次／分鐘，即1次／秒，心臟跳動一次有擴(kuò)和張各一次，每次擴(kuò)張的位移大約D=5 mm，則多普勒頻率fd=2vd／λ=2(2D／t)／λ= 0．11Hz；呼吸頻率是20次／分鐘即0．33次／秒，呼吸一次有呼和吸各一次，每次呼吸的位移D=5mm，則多普勒頻率fd=2vd／λ=2(2D／t)／λ=0．04 Hz；步行的速度約為fd=2vd／λ=5 Hz。根據(jù)以上推斷，人體心跳和呼吸微動的多普勒頻移分別為0．11 Hz和0．04 Hz；體動的多普勒頻率約為5～50 Hz，生命信號歸屬于微弱的低速目標(biāo)多普勒信號。
本文即采用數(shù)字濾波器在FPGA中進(jìn)行生命信號的處理，針對人體呼吸、心跳和體動等不同頻率多普勒頻移，設(shè)計(jì)了兩路FIR濾波器完成干擾及雜波的濾除。
2 基于FPGA的系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案
本生命探測儀采用連續(xù)波雷達(dá)體制，由天線、發(fā)射機(jī)和接收機(jī)、信號處理機(jī)、顯示控制平臺等組成，其中信號處理機(jī)是生命探測儀算法實(shí)現(xiàn)的主要部分。信號處理機(jī)由一塊電路板組成，分別進(jìn)行模擬信號和數(shù)字信號處理。本設(shè)計(jì)中FPGA芯片主要完成超低速微弱信號的去噪以及低頻濾波的工作，選用Altera公司的CycloneⅢ系列的EP3C80F484C7芯片。FPGA器件能夠以高速、實(shí)時、低成本、高靈活性的優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用于數(shù)字信號處理領(lǐng)域，利用它來進(jìn)行數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)技術(shù)已經(jīng)非常成熟。本文引用地址：http://m.ptau.cn/article/190438.htm
圖1所示為本文的信號處理機(jī)系統(tǒng)功能框圖。圖中，輸入信號是低頻微弱信號，為了降低信號處理板與微波前端的相互影響，在信號調(diào)理電路中采用一級電壓跟隨電路，起到緩沖隔離的作用，然后對信號進(jìn)行放大、數(shù)模轉(zhuǎn)換，再送入數(shù)字信號處理單元。
3 FPGA軟件設(shè)計(jì)
FPGA是本系統(tǒng)的核心模塊，承載了全部的數(shù)字元電路設(shè)計(jì)。FPGA完成的功能如下：
(1)為整個系統(tǒng)提供時序信號，包括A／D采樣時鐘、運(yùn)放以及A／D等器件控制信號；
(2)完成兩路FIR濾波器硬件實(shí)現(xiàn)，F(xiàn)PGA內(nèi)部模塊主要包括兩個濾波器、FIFO、串口、控制模塊，圖2所示是FPGA內(nèi)部軟件設(shè)計(jì)原理圖。
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