德州理工大學(xué)運(yùn)用LabVIEW與PXI偵測(cè)遠(yuǎn)端醫(yī)療所需的人類生理RF信號(hào)

　　挑戰(zhàn):

　　針對(duì)人體生命跡象，構(gòu)建非接觸式遠(yuǎn)端偵測(cè)系統(tǒng)原型，具備一定的靈活性以證實(shí)新的信號(hào)處理方式與結(jié)構(gòu)概念。

　　解決方案:

　　運(yùn)用NI LabVIEW系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件與NI PXI硬件，打造出連續(xù)多普勒雷達(dá)系統(tǒng)，此系統(tǒng)可套用多普勒效應(yīng)以測(cè)量人類生理信號(hào)。 這款收發(fā)器系統(tǒng)配備了2個(gè)平板天線與NI PXIe-8133控制器，可測(cè)量生命跡象，并且還在LabVIEW中添加了實(shí)時(shí)信號(hào)處理功能。

　　人體生命跡象的非接觸式遠(yuǎn)端偵測(cè)系統(tǒng)引起了科學(xué)界與業(yè)界的高度關(guān)注，因?yàn)榇讼到y(tǒng)還能夠搜尋地震生還者、追蹤腫瘤、管理智能型電子醫(yī)療、監(jiān)控熟睡中的嬰兒或成人以便及早發(fā)現(xiàn)異常的呼吸狀況。 雖然在2000年之前，非接觸式生命跡象偵測(cè)系統(tǒng)的概念就已經(jīng)出現(xiàn)了，但本世紀(jì)以來(lái)人類陸續(xù)開(kāi)發(fā)出高級(jí)硬件與信號(hào)處理演算法，相關(guān)的技術(shù)研究也就變得越來(lái)越深入。

　　需要PXI架構(gòu)的非接觸式生命跡象偵測(cè)器

　　早在我們的研究之前，多普勒雷達(dá)技術(shù)就已用來(lái)感測(cè)生理活動(dòng)。 不過(guò)這些技術(shù)大多采用儀器架構(gòu)，需要不少高級(jí)RF/微波元件，例如頻譜分析儀、信號(hào)發(fā)生器、信號(hào)分析儀等， 所以生物雷達(dá)系統(tǒng)的造價(jià)非常高。 此外，一旦開(kāi)始測(cè)量，就必須使用不同的技術(shù)來(lái)執(zhí)行后續(xù)的信號(hào)處理。 然而，我們選用了NI PXI硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)此系統(tǒng)，無(wú)需零散的微波元件，也可以通過(guò)LabVIEW實(shí)時(shí)處理信號(hào)，同時(shí)采集數(shù)據(jù)。

　　系統(tǒng)需求與設(shè)置

　　PXI構(gòu)架的雷達(dá)系統(tǒng)需要下列儀器：

　　· NI PXIe-5663矢量信號(hào)分析儀(VSA)包含了NI PXIe-5652 RF信號(hào)生成器、NI PXIe-5601 RF下變頻器、NI PXIe-562216 位IF數(shù)字化儀
　　· NI PXIe-5673矢量信號(hào)發(fā)生器(VSG)包含了NI PXIe-5450 400 MS/s I/Q信號(hào)發(fā)生器、NI PXIe-5611 I/Q矢量調(diào)制器和NI PXI-5652
　　· NI PXI-5691前置放大器
　　· 2個(gè)平板天線，可以其他類型的天線取代

　　整個(gè)PXI儀器安裝在PXIe-1075機(jī)箱內(nèi)，并且由PXIe-8133所控制。 此外也可選用其他類型的機(jī)箱與控制器。

　　圖1為整個(gè)系統(tǒng)的連接設(shè)定。 NI PXIe-5673 VSG會(huì)生成5.8 GHz的單音信號(hào)，傳輸天線(Tx)則會(huì)把此信號(hào)傳輸至待測(cè)物。 一旦接觸到人體此信號(hào)就會(huì)反彈，并且通過(guò)呼吸與心跳等生理運(yùn)動(dòng)而受到調(diào)制。 接收天線(Rx)會(huì)捕捉已反射的信號(hào)，而PXI-5691前置放大器則會(huì)初步放大此信號(hào)。 接著所收到的信號(hào)會(huì)提供給NI PXIe-5663 VSA，在此NI PXIe-5601會(huì)初步將此信號(hào)下變頻，同時(shí)NI PXIe-5652會(huì)提供5.8 GHz的局部振蕩器(LO)信號(hào)。 然后NI PXIe-5622會(huì)把IF信號(hào)數(shù)字化， 最后該信號(hào)會(huì)分為I與Q通道輸出。

　　選擇平板天線的原因是可以通過(guò)和VSG產(chǎn)生的相同頻率來(lái)傳輸/接收信號(hào)。 我們這次演示將輸出功率設(shè)為5 dBm，這也是VSG的輸出功率準(zhǔn)位最大值。

　　請(qǐng)注意，在理想的情況下，單個(gè)LO可用于傳輸器與接收器，以便充分發(fā)揮范圍相關(guān)效應(yīng)的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步避免振蕩器的相位噪音。 然而，如果VSA與VSG使用兩個(gè)不同的LO，就可以更輕松的控制硬件。 為了同步VSG與VSA，我們把PXI 10 MHz背板始終源當(dāng)作參考時(shí)鐘源。 然而，該方法也有不利之處，那就是無(wú)法確保傳輸器與接收器之間的密切同步性。