德州理工大學運用LabVIEW與PXI偵測遠端醫(yī)療所需的人類生理RF信號

　　挑戰(zhàn):

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

　　解決方案:

　　運用NI LabVIEW系統(tǒng)設計軟件與NI PXI硬件，打造出連續(xù)多普勒雷達系統(tǒng)，此系統(tǒng)可套用多普勒效應以測量人類生理信號。 這款收發(fā)器系統(tǒng)配備了2個平板天線與NI PXIe-8133控制器，可測量生命跡象，并且還在LabVIEW中添加了實時信號處理功能。

　　人體生命跡象的非接觸式遠端偵測系統(tǒng)引起了科學界與業(yè)界的高度關注，因為此系統(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系統(tǒng)的概念就已經(jīng)出現(xiàn)了，但本世紀以來人類陸續(xù)開發(fā)出高級硬件與信號處理演算法，相關的技術研究也就變得越來越深入。

　　需要PXI架構(gòu)的非接觸式生命跡象偵測器

　　早在我們的研究之前，多普勒雷達技術就已用來感測生理活動。 不過這些技術大多采用儀器架構(gòu)，需要不少高級RF/微波元件，例如頻譜分析儀、信號發(fā)生器、信號分析儀等， 所以生物雷達系統(tǒng)的造價非常高。 此外，一旦開始測量，就必須使用不同的技術來執(zhí)行后續(xù)的信號處理。 然而，我們選用了NI PXI硬件來實現(xiàn)此系統(tǒng)，無需零散的微波元件，也可以通過LabVIEW實時處理信號，同時采集數(shù)據(jù)。

　　系統(tǒng)需求與設置

　　PXI構(gòu)架的雷達系統(tǒng)需要下列儀器：

　　· NI PXIe-5663矢量信號分析儀(VSA)包含了NI PXIe-5652 RF信號生成器、NI PXIe-5601 RF下變頻器、NI PXIe-562216 位IF數(shù)字化儀
　　· NI PXIe-5673矢量信號發(fā)生器(VSG)包含了NI PXIe-5450 400 MS/s I/Q信號發(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個平板天線，可以其他類型的天線取代

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

　　圖1為整個系統(tǒng)的連接設定。 NI PXIe-5673 VSG會生成5.8 GHz的單音信號，傳輸天線(Tx)則會把此信號傳輸至待測物。 一旦接觸到人體此信號就會反彈，并且通過呼吸與心跳等生理運動而受到調(diào)制。 接收天線(Rx)會捕捉已反射的信號，而PXI-5691前置放大器則會初步放大此信號。 接著所收到的信號會提供給NI PXIe-5663 VSA，在此NI PXIe-5601會初步將此信號下變頻，同時NI PXIe-5652會提供5.8 GHz的局部振蕩器(LO)信號。 然后NI PXIe-5622會把IF信號數(shù)字化， 最后該信號會分為I與Q通道輸出。

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

　　請注意，在理想的情況下，單個LO可用于傳輸器與接收器，以便充分發(fā)揮范圍相關效應的優(yōu)勢，進一步避免振蕩器的相位噪音。 然而，如果VSA與VSG使用兩個不同的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背板始終源當作參考時鐘源。 然而，該方法也有不利之處，那就是無法確保傳輸器與接收器之間的密切同步性。