CN104483554A - 用于生物电阻抗测量的数字相位解调方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于数字信号传输领域，具体公开了一种用于生物电阻抗测量的数字相位解调方法及其系统。该方法包括接收输入信号频率f_D后解调控制输出抽取因子M、DDS频率控制字FTW及DDS工作时钟f_DDS；根据抽取因子M将ADC采样取得的输入信号S(n)经信号抽取M倍得到信号Y(n)，同时根据DDS频率控制字FTW控制相位累加以及DDS工作时钟f_DDS控制波形存储产生本振信号；信号Y(n)分别与所述DDS本振信号相乘；对相乘所得信号进行滤波，以输出正交解调信号实部I和虚部Q。因此，本发明通过固定ADC采样率、避免了对波形存储器容量依赖，实现了在较小波形存储器容量和较高的采样频率下解调系统输出更高频率分辨率。

Description

用于生物电阻抗测量的数字相位解调方法及其系统

技术领域

本发明属于数字信号传输技术领域，尤其是涉及一种用于生物电阻抗测量的数字相位解调方法及其系统。

背景技术

生物电阻抗测量(Electrical Bioimpedance Measurement)，或简称阻抗技术，是一种利用生物组织与器官的电特性及其变化规律提取与人体生理，病理状况相关的生物医学信息的检测技术。它通常是借助置于体表的电极系统向检测对象送入一微小的交流测量电流或电压，检测相应的电阻抗及其变化，然后根据不同的应用目的，获取相关的生理和病理信息。也即是，在生物电阻抗测量中，主要利用生物组织具有的阻抗频谱特性，该阻抗频谱特性是指生物组织电阻抗中，阻抗和容性成分的值随着加载电信号的频率不同会发生较显著的变化。电阻抗的各部分在一个宽频带的驱动电流范围内表现出的一些特性，可以被用来区分不同的组织，并可被用于分析判断组织的生理病理状态。因此，在生物电阻抗测量中，对所测频谱分辨率的要求越来越高。

而现在技术依靠增加波形存储器的容量来提高频率分辨率，若增加波形存储器的容量则硬件成本大大增加，也就是，若提高频率分辨率一倍，则波形存储器的容量也要增加一倍，在本振波形发生器的存储深度不变在情况下，要取得较高的频谱分辩率通常要降低ADC的采样时间，降低ADC的采样时间要求ADC转换器的输出频率可以控制。

发明内容

针对上述现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种采用固定ADC采样率、避免了对波形存储器容量依赖而提高频谱分辨率的用于生物电阻抗测量的数字相位解调方法及其系统。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种用于生物电阻抗测量的数字相位解调方法，该方法包括：

P1：接收输入信号频率f_D后解调控制输出抽取因子M、DDS频率控制字FTW以及DDS工作时钟f_DDS；

P2：根据抽取因子M将ADC采样取得的输入信号S(n)经信号抽取M倍得到信号Y(n)，同时DDS根据频率控制字FTW控制相位累加以及DDS工作时钟f_DDS控制波形存储来产生本振信号，其中S(n)的采样长度为N，DDS采样长度为N₁，n为序列号且

P3：信号Y(n)分别与所述DDS本振信号相乘，所述DDS本振信号包括余弦信号和正弦信号

P4：对相乘所得信号进行滤波，以输出正交解调的信号实部I和虚部Q；

其中，所述步骤P1具体包括如下：

先将输入信号频率f_D通过移位寄存划分为高H位和低L位；

当取输入信号频率f_D的高H位且其值为k时，将除以k值后得到分频因子D和抽取因子M，再在分频因子D的作用下分频得出DDS工作时钟f_DDS；

当取输入信号频率f_D的低L位且值为时，经过移位寄存处理后直接输出DDS频率控制字FTW。

在本发明一实施例中，其中，所述输入信号频率f_D与DDS信号频率f相同，其中DDS信号频率f的表达式为：

在本发明一实施例中，其中，所述分频因子D等于抽取因子M， 其中f_ADC为ADC采样时钟，f_DDS为DDS工作时钟。

在本发明一实施例中，其中，所述高H位的值k∈{2⁰,2¹,2²,......,2ⁿ}。

在本发明一实施例中，其中，所述DDS频率控制字

为了实现上述目的，本发明所采用的又一技术方案如下：

一种用于生物电阻抗测量的数字相位解调系统，包括：

信号抽取器，用于将接收的输入信号S(n)，其中n为序列号且输入信号S(n)的长度为N；

解调控制器，通过给定输入信号频率f经控制解调后输出抽取因子M、频率控制字FTW以及工作时钟频率f_DDS；

本振信号合成器(DDS)，根据所述频率控制字FTW和DDS工作时钟f_DDS来控制产生余弦信号和正弦信号，其中DDS采样长度为N₁；

两个乘法器，用于将经过所述信号抽取器的M倍抽取后得到的信号Y(n)分别与所述本振信号合成器产生的余弦信号和正弦信号的数据相乘；

两个滤波器，用于根据来自所述乘法器的信号，滤除乘法器信号的高频分量，以输出输入信号S(n)的实部I和虚部Q；

其中，所述解调控制器包括：

移位寄存器Ⅰ，接收输入信号频率f_D取高H位，并输出所取高H位值k；

除法器，与所述移位寄存器Ⅰ连接，用于根据所述移位寄存器Ⅰ输出所取高位值k使除以k值后得到分频因子D和抽取因子M；

分频器，与所述除法器连接，用于根据所述除法器输出的分频因子D得出DDS工作时钟f_DDS；

移位寄存器Ⅱ，接收输入信号频率f_D取低L位，并输出所取低L位值经过移位寄存处理后直接输出DDS频率控制字FTW。

在本发明另一实施例中，其中，所述本振信号合成器(DDS)包括：

两个相位累加器，用于根据所述解调控制器中的移位寄存器Ⅱ输出的频率控制字FTW来对本振信号相位进行线性累加；

两个波形存储器，用于根据分频器得到的时钟频率f_DDS来控制本振信号经两个相位累加器处理后得出余弦信号和正弦信号

在本发明另一实施例中，其中，所述两个滤波器为低通滤波器。

在本发明又一实施例中，其中，所述两个波形存储器为ROM。

采用上述技术方案后，本发明和现有技术相比所具有的优点是：本发明技术方案主要通过固定ADC采样率、避免了对波形存储器容量依赖而提高频谱分辨率，实现了在较小的波形存储器ROM和较高的采样频率下数字相位解调系统解调提高频率分辨率，理论上解调频率可以达到无穷小。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

图1是本发明的工作原理图。

图2是本发明所述方法的流程图。

图3是本发明所述方法的ADC输入信号与DDS控制信号关系曲线图。

图4是本发明所述系统的结构示意图。

图5是本发明所述解调控制器的结构示意图。

具体实施方式

以下所述仅为本发明的较佳实施例，并不因此而限定本发明的保护范围。

在生物电阻抗测量中，主要利用生物组织具有的阻抗频谱特性，该阻抗频谱特性是指生物组织电阻抗中，阻抗和容性成分的值随着加载电信号的频率不同会发生较显著的变化。电阻抗的各部分在一个宽频带的驱动电流范围内表现出的一些特性，可以被用来区分不同的组织，并可被用于分析判断组织的生理病理状态。因此，在生物电阻抗测量中，对所测频谱分辨率的要求越来越高。而现有两种提高频谱分辨率的方法：一是依靠增加波形存储器的容量来提高频谱分辨率；二是在本振信号合成器中波形存储器容量不变的情况下，降低ADC采样时间。但是当增加波形存储器的容量后，硬件成本会大大增加，也即是如果频谱分辨率要提高一倍，则波形存储器的容量要增加一倍。而在波形存储器的存储容量(或深度)不变的情况下降低ADC采样时间，这要求ADC输出频率可控，会造成对ADC采样率的依赖增加。

本发明主要采用正交解调技术对输入信号的相位信号进行解调，所得信号的频谱分辨率很大程度上取决于本振信号合成器中波形存储器深度。如图1所示，假定输入信号S(t)的表达式为S(t)＝Acos(wt+θ)，其中A为输入信号的振幅，w为输入的角频率与本振频率相同，θ为输入信号相位，I(t)和Q(t)为解调出的实部与虚部的混频信号，且其混频信号的实部和虚部的表达式为：

$I\left(t\right)=S\left(t\right)\cos \left(\mathrm{wt}\right)=\frac{1}{2}A[\cos \left(\mathrm{\θ}\right)+\cos (2\mathrm{wt}+\mathrm{\θ})]---\left(a\right)$

$Q\left(t\right)=-S\left(t\right)\sin \left(\mathrm{wt}\right)=\frac{1}{2}A[\sin \left(\mathrm{\θ}\right)+\sin (2\mathrm{wt}+\mathrm{\θ})]---\left(b\right)$

将(a)和(b)经低通滤波器(LF)后得到输入信号的实部I和虚部Q，其表达式如下：

$I=\frac{1}{2}A\cos \left(\mathrm{\θ}\right)---\left(c\right)$

$Q=\frac{1}{2}A\sin \left(\mathrm{\θ}\right)---\left(d\right)$

根据上述表达式(c)和(d)所示，解调原理将输入信号S(t)分别与本振信号相乘，再经低通滤波器后得到输入信号的实部I和虚部Q。

如图2和图3所示，本发明实施例提供了一种用于生物电阻抗测量的数字相位解调方法，该方法包括：

P1：接收输入信号频率f_D后解调控制输出抽取因子M、DDS频率控制字FTW以及DDS工作时钟f_DDS；其中，所述步骤P1具体包括如下：

先将输入信号频率f_D通过移位寄存划分为高H位和低L位；

当取输入信号频率f_D的高H位且其值为k时，将除以k值后得到分频因子D和抽取因子M，再在分频因子D的作用下分频得出DDS工作时钟f_DDS；

当取输入信号频率f_D的低L位且值为时，经过移位寄存处理后直接输出DDS频率控制字FTW。

P2：根据抽取因子M将ADC采样取得的输入信号S(n)经信号抽取M倍得到信号Y(n)，同时DDS根据频率控制字FTW控制相位累加以及DDS工作时钟f_DDS控制波形存储来产生本振信号，其中S(n)的采样长度为N，DDS采样长度为N₁，n为序列号且

P3：信号Y(n)分别与所述DDS本振信号相乘，所述DDS本振信号包括余弦信号和正弦信号

P4：对相乘所得信号进行滤波，以输出正交解调的信号实部I和虚部Q。

在本发明实施例中，所述输入信号频率f_D与DDS信号频率f相同，其中DDS信号频率f的表达式为：

如图3所示，ADC输入一个周期的正弦信号长度为N；DDS输出一个周期的正弦信号的长度为N₁；ADC采样时钟f_ADC；DDS工作时钟f_DDS。在正交解调中ADC输入信号的长度N应和本振DDS输出的信号长度N₁相等即N＝N₁；

其中，所述分频因子D等于抽取因子M，抽取因子M的最大值计算公式如下： $M=\frac{N}{N_1}---\left(e\right).$

结合上述(e)并对ADC输入的信号按每隔M个点抽取一个数据保证ADC的信号与DDS产生的信号长度一致，其中f_ADC为ADC采样时钟，f_DDS为DDS工作时钟，抽取因子M的范围如下(f)所示。

$M\≤\frac{N}{N_1}=\frac{f_{\mathrm{ADC}}}{f_{\mathrm{DDS}}}---\left(f\right)$

在数字相位解调方法中，ADC输入信号频率分辨率与DDS频率分辨率相同，且用f_ratio表示，具体请参见如下(g)所示。

$f_{\mathrm{ratio}}=\frac{f_{\mathrm{ADC}}}{N}=\frac{f_{\mathrm{DDS}}}{N_1}---\left(g\right)$

由(g)所知，N₁为波形存储器(ROM)的深度；ADC输入信号的长度N；ADC采样时钟f_ADC；DDS工作时钟f_DDS。

数字相位解调系统的关键在于控制ADC输入信号的长度N，DDS频率控制字FTW，信号抽取器的抽取因子M，DDS工作时钟f_DDS，N的长度决定了系统的频率分辩率，FTW、M、f_DDS决定系统能否正常解调。表一为数字相位解调系统的信号关系数值表。

表一

根据上述表一所述，输入信号频率 $f_D\∈\{1*\mathrm{1,1}*2,......,1*\frac{N_1}{8},2*\mathrm{1,2}*2,......,$ $2*\frac{N_1}{8},......,32*\mathrm{1,32}*\mathrm{2,32}*\frac{N_1}{8}\}$ 被分为了五组：每组的长度为用f_D的低10位表示；f_D的高5位表示每组频率的标号k，k∈{2⁰,2¹,2²,2³,2⁴,2⁶}。因此，根据上述表格所述，本领域技术人员可以扩展出如下：

输入信号频率 $f_D\∈\{1*\mathrm{1,1}*2,......,1*\frac{N_1}{8},2*\mathrm{1,2}*2,......,2*\frac{N_1}{8},......,2^n*1,2^n*2,$ $2^n*\frac{N_1}{8}\}$ 被分为了n组，每组的长度用f_D的低位表示，f_D高n位表示每组频率的标号k,k∈{2⁰,2¹,2²,......,2ⁿ}；低位的值表示

在本发明实施例中，所述输入信号频率f_D＝k×FTW，其中，k表示频率扩展系数，DDS信号频率f＝f_D×f_{H_ratio}；由此，在本发明实施例中，所述高H位的值k∈{2⁰,2¹,2²,......,2ⁿ}，所述DDS频率控制字其中之所以选取是依据采样定理将ADC采样频率f_ADC为输入信号频率的8倍。

因此，要提高ADC输入信号的频率分辨率有两种方法，一是降低ADC采样时钟；二是增加ADC输入信号数据的长度。但是本发明所述的数字相位解调方法采用的增加ADC输入信号数据的长度来提高ADC输入信号的频率分辨率的。

如图4和图5所示，本发明又一实施例提供了一种用于生物电阻抗测量的数字相位解调系统，该系统包括：

信号抽取器，用于将接收的输入信号S(n)，其中n为序列号且输入信号S(n)的长度为N；

解调控制器，通过给定输入信号频率f经控制解调后输出抽取因子M、频率控制字FTW以及工作时钟频率f_DDS；

本振信号合成器(DDS)，根据所述频率控制字FTW和读取时钟f_DDS来控制产生余弦信号和正弦信号，其中DDS采样长度为N₁；

两个乘法器，用于将经过所述信号抽取器的M倍抽取后得到的信号Y(n)分别与所述本振信号合成器产生的余弦信号和正弦信号的数据相乘；

两个滤波器，用于根据来自所述乘法器的信号，滤除乘法器信号的高频分量，以输出输入信号S(n)的实部I和虚部Q；

其中，所述解调控制器包括：

移位寄存器Ⅰ，接收输入信号频率f_D取高H位，并输出所取高H位值k；

除法器，与所述移位寄存器Ⅰ连接，用于根据所述移位寄存器Ⅰ输出所取高位值k使除于k值后得到分频因子D和抽取因子M；

分频器，与所述除法器连接，用于根据所述除法器输出的分频因子D得出DDS工作时钟f_DDS；

移位寄存器Ⅱ，接收输入信号频率f_D取低L位，并输出所取低L位值经过移位寄存处理后直接输出DDS频率控制字FTW。

在本发明一实施例中，其中，所述本振信号合成器(DDS)包括：

两个相位累加器，用于根据所述解调控制器中的移位寄存器Ⅱ输出的频率控制字FTW来对本振信号相位进行线性累加；

两个波形存储器，用于根据分频器得到的时钟频率f_DDS来控制本振信号经两个相位累加器处理后得出余弦信号和正弦信号

其中，在本发明实施例中，所述两个滤波器为低通滤波器，所述两个波形存储器为ROM。

继续如图4所示，工作流程是输入信号S(n)经信号抽取器后，分别与DDS产生的本振信号及相乘，再经低通滤波器(LF)得到输入信号的实部I和虚部Q信号。

解调控制器根据输入信号数字频率f_D得出信号抽取器的抽取因子M，DDS的频率控制字FTW和DDS的工作时钟f_DDS；从而保证输入信号的频率与DDS产生的信号频率一致。其中信号抽取器实现每隔M点抽取一次数据。DDS信号的频率其中FTW为DDS的频率控制字。由于增加波形存储器(ROM)的存储深度增加了硬件成本，本发明所述数字相位解调系统采用的是降低DDS工作时钟f_DDS实现提高DDS频率分别率的。

上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种用于生物电阻抗测量的数字相位解调方法，该方法包括：

P1：接收输入信号频率f_D后解调控制输出抽取因子M、DDS频率控制字FTW以及DDS工作时钟f_DDS；

P2：根据抽取因子M将ADC采样取得的输入信号S(n)经信号抽取M倍得到信号Y(n)，同时DDS根据频率控制字FTW控制相位累加以及DDS工作时钟f_DDS控制波形存储来产生本振信号，其中S(n)的采样长度为N，DDS采样长度为N₁，n为序列号且n∈[1，N]；

P3：信号Y(n)分别与所述DDS本振信号相乘，所述DDS本振信号包括余弦信号和正弦信号

P4：对相乘所得信号进行滤波，以输出正交解调的信号实部I和虚部Q；

其中，所述步骤P1具体包括如下：

先将输入信号频率f_D通过移位寄存划分为高H位和低L位；

当取输入信号频率f_D的高H位且其值为k时，将除以k值后得到分频因子D和抽取因子M，再在分频因子D的作用下分频得出DDS工作时钟f_DDS；

当取输入信号频率f_D的低L位且值为时，经过移位寄存处理后直接输出DDS频率控制字FTW。

2.根据权利要求1所述的数字相位解调方法，其特征在于，所述输入信号频率f_D与DDS信号频率f相同，其中DDS信号频率f的表达式为：

3.根据权利要求1所述的数字相位解调方法，其特征在于，所述分频因子D等于抽取因子M，其中f_ADC为ADC采样时钟，f_DDS为DDS工作时钟。

4.根据权利要求1所述的数字相位解调方法，其特征在于，所述高H位的值k∈{2⁰,2¹,2²,......,2ⁿ}。

5.根据权利要求1所述的数字相位解调方法，其特征在于，所述DDS频率控制字 $\mathrm{FTW}\∈[1,\frac{N_1}{8}).$

6.一种用于生物电阻抗测量的数字相位解调系统，包括：

信号抽取器，用于将接收的输入信号S(n)，其中n为序列号且n∈[1，N]，输入信号S(n)的长度为N；

解调控制器，通过给定输入信号频率f_D经控制解调后输出抽取因子M、频率控制字FTW以及工作时钟频率f_DDS；

本振信号合成器(DDS)，根据所述频率控制字FTW和读取时钟f_DDS来控制产生余弦信号和正弦信号，其中DDS采样长度为N₁；

两个乘法器，用于将经过所述信号抽取器的M倍抽取后得到的信号Y(n)分别与所述本振信号合成器产生的余弦信号和正弦信号的数据相乘；

两个滤波器，用于根据来自所述乘法器的信号，滤除所述乘法器信号的高频分量，以输出输入信号S(n)的实部I和虚部Q；

其中，所述解调控制器包括：

移位寄存器Ⅰ，接收输入信号频率f_D取高H位，并输出所取高H位值k；

除法器，与所述移位寄存器Ⅰ连接，用于根据所述移位寄存器Ⅰ输出所取高位值k使除以k值后得到分频因子D和抽取因子M；

分频器，与所述除法器连接，用于根据所述除法器输出的分频因子D得出DDS工作时钟f_DDS；

移位寄存器Ⅱ，接收输入信号频率f_D取低L位，并输出所取低L位值经过移位寄存处理后直接输出DDS频率控制字FTW。

7.根据权利要求6所述的数字相位解调系统，其特征在于，所述本振信号合成器(DDS)包括：

两个相位累加器，用于根据所述解调控制器中的移位寄存器Ⅱ输出的频率控制字FTW来对本振信号相位进行线性累加；

两个波形存储器，用于根据分频器得到的时钟频率fDDS来控制本振信号经两个相位累加器处理后得出余弦信号和正弦信号

8.根据权利要求6所述的数字相位解调系统，其特征在于，所述两个滤波器为低通滤波器。

9.根据权利要求7所述的数字相位解调系统，其特征在于，所述两个波形存储器为ROM。