本發(fā)明涉及一種脈搏波信號(hào)提取處理系統(tǒng)，尤其涉及一種基于鎖相放大器的PPG脈搏波信號(hào)提取處理系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

在科學(xué)研究及生產(chǎn)活動(dòng)當(dāng)中，人類不可避免的會(huì)遇到各種微弱信號(hào)的處理問(wèn)題，例如在地震波形測(cè)量、衛(wèi)星信號(hào)接收、激光信號(hào)測(cè)量、紅外和人體生理指標(biāo)測(cè)量等領(lǐng)域，通常要放大、還原毫伏量級(jí)甚至更小的微弱信號(hào)。

在這樣的背景之下，一個(gè)被稱為“微弱信號(hào)檢測(cè)”的新興學(xué)科逐漸走入人們的視野，微弱信號(hào)檢測(cè)是處理微信號(hào)的關(guān)鍵技術(shù)。所謂的微弱信號(hào)一般有兩層含義，第一層含義是其本身的絕對(duì)值非常小，以電壓為例，通常其絕對(duì)值不會(huì)高于毫伏的量級(jí)。第二層含義是被檢測(cè)的信號(hào)相對(duì)值也非常小，一般地這樣微弱的信號(hào)會(huì)淹沒(méi)在外界的噪聲當(dāng)中，很難直接分辨其信號(hào)的大小。面對(duì)這樣的信號(hào)，常見(jiàn)的檢測(cè)方法包括小波變換、取樣積分、平均處理法和信號(hào)的頻譜窄帶化技術(shù)、非線性隨機(jī)系統(tǒng)協(xié)同隨機(jī)共振法、多重匹配的濾波技術(shù)等方法。

任何獲取微弱信號(hào)的技術(shù)都是有其它代價(jià)或前提的，一般地基于頻譜、濾波等技術(shù)是需要有已知信號(hào)的頻譜特征為前提的，如果微弱信號(hào)落入某個(gè)窄帶的內(nèi)，則可以通過(guò)頻譜、濾波的技術(shù)獲得微弱信號(hào)的信息。傳統(tǒng)的微弱信號(hào)檢測(cè)一般均采用這個(gè)思路，首先使用極高增益的放大器，在放大的過(guò)程中及放大之后對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波。或者對(duì)信號(hào)采用頻譜分析，挑出自己需要的信號(hào)。但是對(duì)人體PPG脈搏波這種微弱信號(hào)的提取，所述PPG脈搏波即光電容積脈搏波，目前對(duì)人體PPG脈搏波這種微弱信號(hào)的提取技術(shù)比較復(fù)雜、成本高、效率低以及信噪比低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是需要提供一種剛好能夠?qū)崿F(xiàn)人體的PPG脈搏波信號(hào)的提取，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的基于鎖相放大器的PPG脈搏波信號(hào)提取處理系統(tǒng)，已達(dá)到降低系統(tǒng)成本，提高對(duì)人體PPG脈搏波這種微弱信號(hào)的提取效率并提高其信噪比的目的。

對(duì)此，本發(fā)明提供一種基于鎖相放大器的PPG脈搏波信號(hào)提取處理系統(tǒng)，包括：光敏二極管放大濾波電路、AD采樣電路、人體脈搏波信號(hào)處理分析模塊、顯示模塊、鎖相放大處理模塊、鎖相環(huán)倍頻電路、DA波形產(chǎn)生電路和發(fā)光二極管驅(qū)動(dòng)電路，所述光敏二極管放大濾波電路通過(guò)AD采樣電路連接至所述鎖相放大處理模塊，所述鎖相環(huán)倍頻電路與所述鎖相放大處理模塊相連接，所述鎖相放大處理模塊通過(guò)DA波形產(chǎn)生電路連接至所述發(fā)光二極管驅(qū)動(dòng)電路，所述鎖相放大處理模塊和顯示模塊分別與所述人體脈搏波信號(hào)處理分析模塊相連接；其中，所述鎖相放大處理模塊和鎖相環(huán)倍頻電路提取PPG脈搏波信號(hào)后，發(fā)送至所述人體脈搏波信號(hào)處理分析模塊實(shí)現(xiàn)分析和處理。

本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)在于，所述鎖相放大處理模塊輸送100KHz的方波信號(hào)至所述鎖相環(huán)倍頻電路，所述鎖相環(huán)倍頻電路反饋36MHz的方波信號(hào)至所述鎖相放大處理模塊。

本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)在于，所述DA波形產(chǎn)生電路發(fā)送頻率為100KHz的正弦調(diào)制信號(hào)至所述發(fā)光二極管驅(qū)動(dòng)電路。

本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)在于，所述鎖相放大處理模塊發(fā)送頻率為36MHz的正弦波信號(hào)至所述DA波形產(chǎn)生電路。

本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)在于，光敏二極管放大濾波電路包括依次級(jí)聯(lián)的雙級(jí)高增益放大器和帶阻濾波器，所述雙級(jí)高增益放大器連接至光敏二極管。

本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)在于，所述AD采樣電路的采樣頻率為100KHz，并將采樣后的信號(hào)方至所述鎖相放大處理模塊。

本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)在于，所述鎖相放大處理模塊用于對(duì)PPG脈搏波信號(hào)進(jìn)行提取、放大和處理，所述鎖相放大處理模塊包括模擬PPG脈搏波發(fā)生器、調(diào)制器、自然數(shù)數(shù)值產(chǎn)生器、模擬噪聲模塊、鎖相放大計(jì)算模塊和滑動(dòng)濾波模塊，所述自然數(shù)數(shù)值產(chǎn)生器用于產(chǎn)生離散的自然數(shù)數(shù)值n，并通過(guò)自然數(shù)數(shù)值n驅(qū)動(dòng)所述鎖相放大處理模塊工作；所述模擬PPG脈搏波發(fā)生器根據(jù)采集的原始PPG脈搏波的波形向量文件，并通過(guò)自然數(shù)數(shù)值n的增長(zhǎng)實(shí)時(shí)地移動(dòng)所述波形向量文件，輸出當(dāng)前PPG脈搏波的強(qiáng)度數(shù)值至所述調(diào)制器；所述調(diào)制器對(duì)PPG脈搏波的強(qiáng)度數(shù)值進(jìn)行調(diào)制，經(jīng)過(guò)了調(diào)制后的PPG脈搏波的強(qiáng)度數(shù)值發(fā)送至所述模擬噪聲模塊中增加隨機(jī)噪聲，然后發(fā)送至所述鎖相放大計(jì)算模塊；所述鎖相放大計(jì)算模塊對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行鎖相放大的數(shù)值計(jì)算，以實(shí)現(xiàn)去除噪音和放大處理，并通過(guò)所述滑動(dòng)濾波模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)調(diào)整。

本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)在于，所述波形向量文件存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)是序列函數(shù)，其序列函數(shù)的總長(zhǎng)度為脈搏波的波形向量總長(zhǎng)度；根據(jù)自然數(shù)數(shù)值n的增長(zhǎng)并通過(guò)線性擬合把序列函數(shù)的定義域轉(zhuǎn)換到實(shí)數(shù)域上，進(jìn)而得到連續(xù)的模擬PPG脈搏波發(fā)生器。

本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)在于，還包括參考信號(hào)輸入模塊，所述參考信號(hào)輸入模塊輸出參考信號(hào)以對(duì)PPG脈搏波傳感器的發(fā)光二極管實(shí)現(xiàn)調(diào)制，使得所述發(fā)光二極管發(fā)出的光為高頻正弦波。

本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)在于，所述鎖相放大處理模塊用于對(duì)PPG脈搏波信號(hào)進(jìn)行提取、放大和處理包括以下步驟：

步驟S1，初始化自然數(shù)數(shù)值n；

步驟S2，輸入r和d的數(shù)值，并輸入對(duì)隨機(jī)噪聲大小進(jìn)行控制的變量數(shù)值，r為參考信號(hào)的周期與AD采樣電路的采樣周期之間的比例，d為PPG脈搏波的周期與AD采樣電路的采樣周期之間的比例；

步驟S3，判斷自然數(shù)數(shù)值n是否達(dá)到最大值，若是則結(jié)束，若否則跳轉(zhuǎn)至步驟S4；

步驟S4，自然數(shù)數(shù)值n實(shí)現(xiàn)自加運(yùn)算，然后通過(guò)所述模擬PPG脈搏波發(fā)生器計(jì)算出當(dāng)前自然數(shù)數(shù)值n對(duì)應(yīng)的PPG脈搏波的強(qiáng)度數(shù)值，并對(duì)PPG脈搏波的強(qiáng)度數(shù)值進(jìn)行調(diào)制、增加隨機(jī)噪聲以及鎖相放大計(jì)算；重復(fù)步驟S4直到自然數(shù)數(shù)值n能夠被r整除，則完成一個(gè)調(diào)制周期的提取、放大和處理，輸出數(shù)值后結(jié)束。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于：通過(guò)對(duì)人體PPG脈搏波這種微弱信號(hào)進(jìn)行了調(diào)制等處理，使得人體PPG脈搏波這種微弱信號(hào)剛好能夠被基于FPGA實(shí)現(xiàn)的鎖相放大處理模塊進(jìn)行提取、放大和處理，進(jìn)而提供了一個(gè)完整且有效的PPG脈搏波信號(hào)提取系統(tǒng)，本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且設(shè)計(jì)合理，有效控制了系統(tǒng)成本，并具有非常好的信噪比，能高效地提取人體的PPG脈搏波這種微弱信號(hào)。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明一種實(shí)施例的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明一種實(shí)施例的提取端基本原理示意圖；

圖3是本發(fā)明一種實(shí)施例的發(fā)光二極管的特性曲線示意圖；

圖4是本發(fā)明一種實(shí)施例的發(fā)光二極管的驅(qū)動(dòng)電路原理圖；

圖5是本發(fā)明一種實(shí)施例的雙級(jí)高增益放大器的電路原理圖；

圖6是本發(fā)明一種實(shí)施例的帶阻濾波器的電路原理圖；

圖7是本發(fā)明一種實(shí)施例的鎖相放大器的系統(tǒng)原理示意圖；

圖8是本發(fā)明一種實(shí)施例的相近頻率的相關(guān)性檢測(cè)運(yùn)算仿真示意圖；

圖9是本發(fā)明一種實(shí)施例的鎖相放大器的算法示意圖；

圖10是本發(fā)明一種實(shí)施例的鎖相放大器的系統(tǒng)示意圖；

圖11是本發(fā)明一種實(shí)施例的數(shù)字鎖相放大器提取PPG脈搏波的仿真工作流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的較優(yōu)的實(shí)施例作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。

如圖1所示，本例提供一種基于鎖相放大器的PPG脈搏波信號(hào)提取處理系統(tǒng)，包括：光敏二極管放大濾波電路、AD采樣電路、人體脈搏波信號(hào)處理分析模塊、顯示模塊、鎖相放大處理模塊、鎖相環(huán)倍頻電路、DA波形產(chǎn)生電路和發(fā)光二極管驅(qū)動(dòng)電路，所述光敏二極管放大濾波電路通過(guò)AD采樣電路連接至所述鎖相放大處理模塊，所述鎖相環(huán)倍頻電路與所述鎖相放大處理模塊相連接，所述鎖相放大處理模塊通過(guò)DA波形產(chǎn)生電路連接至所述發(fā)光二極管驅(qū)動(dòng)電路，所述鎖相放大處理模塊和顯示模塊分別與所述人體脈搏波信號(hào)處理分析模塊相連接；其中，所述鎖相放大處理模塊和鎖相環(huán)倍頻電路提取PPG脈搏波信號(hào)后，發(fā)送至所述人體脈搏波信號(hào)處理分析模塊實(shí)現(xiàn)分析和處理。

值得一提的是，本例的核心在于通過(guò)鎖相放大處理模塊和人體脈搏波信號(hào)處理分析模塊及其他外圍電路或模塊的配合，實(shí)現(xiàn)了基于鎖相放大器對(duì)人體PPG脈搏波這種微弱信號(hào)的提取，其中，所述鎖相放大處理模塊優(yōu)選通過(guò)Altera EP3C25F256C8FPGA芯片實(shí)現(xiàn)，所述人體脈搏波信號(hào)處理分析模塊優(yōu)選通過(guò)ARM cortex內(nèi)核的STM32嵌入式處理器實(shí)現(xiàn)。FPGA芯片主要負(fù)責(zé)所述鎖相放大處理模塊中鎖相放大器及相關(guān)組件的控制，實(shí)現(xiàn)PPG脈搏波的信號(hào)提取、放大和處理等。STM32嵌入式處理器主要負(fù)責(zé)人體脈搏波信號(hào)的后期分析和計(jì)算等處理，所述后期分析和計(jì)算等處理其實(shí)就是對(duì)人體光電容積脈搏波頻譜特征的提取,所述人體光電容積脈搏波頻譜特征的提取可以采用抽樣插值和查表的方法,當(dāng)然這個(gè)如何提取其頻譜特征不是本例的重點(diǎn),這種后期分析和計(jì)算等處理用于將處理結(jié)果直接顯示在顯示模塊所述顯示模塊優(yōu)選為STM32系統(tǒng)的液晶屏；將處理結(jié)果顯示至外圍的計(jì)算機(jī)等數(shù)據(jù)處理裝置中，比如通過(guò)串口通信協(xié)議將脈搏數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)進(jìn)行展示和處理。

本例所述鎖相放大處理模塊輸送100KHz的方波信號(hào)至所述鎖相環(huán)倍頻電路，所述鎖相環(huán)倍頻電路反饋36MHz的方波信號(hào)至所述鎖相放大處理模塊；所述DA波形產(chǎn)生電路發(fā)送頻率為100KHz的正弦調(diào)制信號(hào)至所述發(fā)光二極管驅(qū)動(dòng)電路，為了產(chǎn)生這么一個(gè)正弦調(diào)制信號(hào)的，所述鎖相放大處理模塊發(fā)送頻率為36MHz的正弦波信號(hào)至所述DA波形產(chǎn)生電路，采用的是類似DDS的方法。

本例由于光敏二極管接收到的PPG脈搏波傳感器的發(fā)光二極管的信號(hào)是比較復(fù)雜的，是被100KHz正弦信號(hào)調(diào)制后的PPG脈搏波信號(hào)，因此，本例所述光敏二極管放大濾波電路包括依次級(jí)聯(lián)的雙級(jí)高增益放大器和50Hz的帶阻濾波器，所述雙級(jí)高增益放大器連接至光敏二極管；所述AD采樣電路的采樣頻率為100KHz，并將采樣后的信號(hào)方至所述鎖相放大處理模塊。

值得一提的是，本例上述這些參數(shù)和波形的選擇是具有非常重要的意義的，并不是隨意選擇或是通過(guò)有限實(shí)驗(yàn)得到的，其選擇和結(jié)果是設(shè)計(jì)之初所沒(méi)有想到的；本例將利用下面的詳細(xì)描述和算法來(lái)說(shuō)明這一點(diǎn)。本例所述鎖相放大處理模塊進(jìn)行相關(guān)性運(yùn)算得到脈搏波的幅值，所述鎖相放大處理模塊按照1KHz采樣率的速度向人體脈搏波信號(hào)處理分析模塊輸送脈搏波數(shù)據(jù)，人體脈搏波信號(hào)處理分析模塊進(jìn)行運(yùn)算整理分析，并傳輸?shù)缴衔粰C(jī)或通過(guò)顯示模塊實(shí)現(xiàn)顯示。

區(qū)別于現(xiàn)有其他的脈搏波信號(hào)提取技術(shù)，本例基于鎖相放大器的PPG脈搏波信號(hào)提取具有很鮮明的特點(diǎn)，本例用一個(gè)發(fā)光二極管發(fā)出660nm的激光或940nm的激光，或者二者兼而有之；另外使用一個(gè)光敏二極管來(lái)檢測(cè)信號(hào)，為了更好的檢測(cè)精度，使用透射式的檢測(cè)模式，這種透射式的精度更高且噪聲更小，其基本原理如圖2所示。

采用透射式的PPG脈搏波的檢測(cè)端裝置是通過(guò)發(fā)光二極管照射手指，在手指甲的一面進(jìn)行采樣；整個(gè)脈搏波傳感器應(yīng)該盡量避光，減少干擾。對(duì)于發(fā)光二極管，其電壓電流滿足圖3中的特性曲線。

由圖3可知，當(dāng)給定的驅(qū)動(dòng)電壓在較小范圍內(nèi)變化時(shí)，發(fā)光二極管的電流將在較大范圍內(nèi)變化，這種變化會(huì)引發(fā)二極管的燒毀，且導(dǎo)致探測(cè)到的信號(hào)出現(xiàn)較大幅度的波動(dòng)，即使二極管的驅(qū)動(dòng)電壓嚴(yán)格保持在確定的數(shù)值，發(fā)光二極管也會(huì)因?yàn)闇囟鹊淖兓瘜?dǎo)致公式中UT的變化而導(dǎo)致實(shí)際電流的劇烈變化。因此，對(duì)發(fā)光二極管必須采用恒流的驅(qū)動(dòng)方式。對(duì)于一般的電路，只需要采用一個(gè)普通NPN三極管9013就可以實(shí)現(xiàn)良好的驅(qū)動(dòng)，如圖4所示。

由于接收到PPG脈搏波的信號(hào)極其微弱，且受到各種外界噪聲的干擾，尤其是市電50Hz信號(hào)的干擾，因此，光敏二極管接收到的信號(hào)是比較復(fù)雜的，需要設(shè)計(jì)雙級(jí)高增益放大器這種兩極的高增益和低噪聲的放大器模塊，并進(jìn)行有效的濾波。其中，需要雙級(jí)高增益放大器對(duì)微弱的PPG脈搏波信號(hào)進(jìn)行放大，其電路原理圖如圖5所示。

與一般的接收電路不同，本例提出的PPG脈搏波信號(hào)提取處理系統(tǒng)是基于鎖相放大器進(jìn)行噪聲去除和信號(hào)還原的，所以并不需要專門(mén)的低通濾波器，高頻噪聲和無(wú)關(guān)噪聲可以通過(guò)鎖相放大器去除，就能夠很好地還原信號(hào)，對(duì)于低頻信號(hào)，需要專門(mén)設(shè)計(jì)一個(gè)50Hz的帶阻濾波器去掉市電的噪聲信號(hào)影響，其電路圖如圖6所示。

鎖相放大(Lock-in Amplifier)(LIA)技術(shù)是逐漸興起的一種新技術(shù)，鎖相放大技術(shù)又稱為鎖定放大技術(shù)。其獲取微弱信號(hào)的前提并不是因?yàn)橐阎⑷跣盘?hào)的頻帶，而已通過(guò)付出高額的時(shí)間代價(jià)和處理運(yùn)算代價(jià)來(lái)實(shí)現(xiàn)微弱信號(hào)檢測(cè)。其具有其它信號(hào)處理技術(shù)不可比擬的優(yōu)勢(shì)，其具有極高信噪比，其抗干擾的能力很強(qiáng)，測(cè)量的精度很高，目前廣泛用于信號(hào)檢測(cè)等諸多小信號(hào)處理領(lǐng)域。鎖相放大器的處理方法是令被測(cè)量的微弱小信號(hào)成為一個(gè)準(zhǔn)靜態(tài)的信號(hào)，用高頻信號(hào)調(diào)制探測(cè)信息，然后經(jīng)過(guò)若干個(gè)檢測(cè)周期對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行采樣，根據(jù)自相關(guān)性的數(shù)學(xué)原理對(duì)其進(jìn)行運(yùn)算和處理，最終得到準(zhǔn)靜態(tài)的測(cè)量信號(hào)。

值得一提的是，鎖相放大器雖然性能極為強(qiáng)調(diào)，處理效果極好，但在使用上也有一定的限制，根據(jù)上面的基本論述，鎖相放大器的應(yīng)用需要滿足一定的條件：(1)必須可以調(diào)制被測(cè)量的微弱信號(hào)。例如人體光電容積(PPG)脈搏波，可以對(duì)發(fā)射探測(cè)光的LED進(jìn)行調(diào)制，這樣被透射(反射)的檢測(cè)信號(hào)也是被調(diào)制的。對(duì)比而言例如利用人體震動(dòng)而產(chǎn)生電信號(hào)的檢測(cè)方式，就很難進(jìn)行調(diào)制，不適用于鎖相放大器進(jìn)行處理。(2)被檢測(cè)信號(hào)必須變化較慢，是準(zhǔn)靜態(tài)的。由于鎖相放大器是用更高頻的信號(hào)去調(diào)制被檢測(cè)信號(hào)，被檢測(cè)信號(hào)的每一個(gè)“采樣點(diǎn)”都需要被調(diào)制，以一個(gè)人體的脈搏波信號(hào)為例，其頻譜一般可以擴(kuò)展到基頻的15倍，而根據(jù)采用定理就至少一個(gè)周期采用30個(gè)點(diǎn)，但是工程上，我們一般要采樣300個(gè)點(diǎn)，而要使得鎖相放大器能夠正常工作，一般需要30個(gè)周期的數(shù)據(jù)進(jìn)行微弱信號(hào)的處理，這樣一般鎖相放大器需要調(diào)制的信號(hào)大約為原信號(hào)的1萬(wàn)倍頻率，如果使用數(shù)字所想放大器，通常一個(gè)調(diào)制周期內(nèi)需要采樣幾百個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，按照本文的設(shè)計(jì)，我們?nèi)?60個(gè)點(diǎn)，這樣鎖相放大器的工作頻率大約是原始信號(hào)的360萬(wàn)倍。目前，速度最快的FPGA的運(yùn)行速度大約不會(huì)超過(guò)100MHz，通常是40Mhz，這樣使用鎖相放大器大約可以處理周期為0.1s的信號(hào)，而人體的PPG脈搏波剛好在這個(gè)范圍之內(nèi)，這是本例實(shí)現(xiàn)基于鎖相放大器對(duì)人體PPG脈搏波這種微弱信號(hào)進(jìn)行提取的非常重要的一個(gè)點(diǎn)！

也就是說(shuō)，本例所述鎖相放大處理模塊包括鎖相放大器，所述鎖相放大器作為一種較為貴重的電子設(shè)備，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，如圖7所示，主要包括信號(hào)輸入處理電路輸入、輸入放大濾波電路、相敏檢波(PSD)電路、濾波器電路、A/D電路、DPS處理器及D/A電路燈。為了設(shè)計(jì)整個(gè)鎖相放大器電路的算法，需要先討論相關(guān)性檢測(cè)的原理，包括：自相關(guān)檢測(cè)和互相關(guān)檢測(cè)的原理。首先設(shè)一個(gè)有用的信號(hào)為一個(gè)正弦波信號(hào)，該正弦波信號(hào)的表達(dá)式為：令隨機(jī)的噪聲為：Nosie(t)＝N(t)；對(duì)上面兩個(gè)公式進(jìn)行求和，可以得到輸入總信號(hào)為：定義正弦波信號(hào)和隨機(jī)噪聲這兩個(gè)信號(hào)的相關(guān)性檢測(cè)函數(shù)為：其中，a(t)和b(t)分別代表需要做相關(guān)性檢測(cè)的任意兩個(gè)時(shí)域信號(hào)；定義檢測(cè)用的參考正弦波信號(hào)表達(dá)式為則通過(guò)相關(guān)性函數(shù)的檢測(cè)就能夠得到A、B的信息，而去除不相關(guān)噪聲的影響，下面以正弦波信號(hào)Y(t)和輸入總信號(hào)I(t)為例，討論其互相關(guān)檢測(cè)函數(shù)的數(shù)值：

事實(shí)上，整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)中核心的目的是檢測(cè)A的數(shù)值，也就是正弦波信號(hào)S(t)的幅值，B是參考信號(hào)的幅值，是一個(gè)已知的數(shù)值，通過(guò)后面的計(jì)算，可以得到AB乘積的表達(dá)式，進(jìn)而計(jì)算出A的數(shù)值。

由前面的論述可知，噪聲對(duì)時(shí)間的積分可以為0，所以通過(guò)相關(guān)性檢測(cè)后信號(hào)只剩余和AB有關(guān)的部分。同理，如果是不同頻率信號(hào)做相關(guān)性檢測(cè)也會(huì)發(fā)現(xiàn)其相關(guān)性很弱，圖8給出了兩個(gè)頻率相近信號(hào)的相關(guān)性檢測(cè)函數(shù)運(yùn)算的結(jié)果和趨勢(shì)。

在實(shí)際的鎖相放大器中，我們也運(yùn)用了相關(guān)性運(yùn)算的原理，首先需要對(duì)被檢測(cè)的準(zhǔn)靜態(tài)直流信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，設(shè)a sin(w₀t+φ₀)是調(diào)制完畢的信號(hào)，而其中a就是需要檢測(cè)的信號(hào)。設(shè)整個(gè)鎖相放大器的其中輸入信號(hào)是s_(t)，根據(jù)傅立葉變換原理，該輸入信號(hào)可以由a sib(w₀t+φ₀)和Σb_n sin(w_nt+φ_n)兩部分構(gòu)成，其中a sin(w₀t+φ₀)是需要放大的有效信號(hào)，而Σb_n sin(w_nt+φ_n)是無(wú)關(guān)的噪聲信號(hào)，該算法的原理的如圖9所示；b_n是其它各個(gè)頻率分量信號(hào)的幅值，所述其它指的是除了要檢測(cè)的信號(hào)頻率以外的頻率。

另外，需要給信號(hào)處理器一個(gè)和a sin(w₀t+φ₀)頻率一樣的標(biāo)準(zhǔn)正弦波作為參考，設(shè)該信號(hào)的波函數(shù)為r_(t)＝a′sin(w₀t+φ′₀)，利用乘法器，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)信號(hào)的乘法運(yùn)算可以得到如下信號(hào)：

其中輸入信號(hào)是s_(t)，根據(jù)傅立葉變換原理，該輸入信號(hào)可以由a sin(w₀t+φ₀)和Σb_n sin(w_nt+φ_n)兩部分構(gòu)成，其中a sin(w₀t+φ₀)是需要放大的有效信號(hào)，而∑b_n sin(w_nt+φ_n)是無(wú)關(guān)的噪聲信號(hào)。另外，需要給信號(hào)處理器一個(gè)和a sin(w₀t+φ₀)頻率一樣的標(biāo)準(zhǔn)正弦波作為參考，設(shè)該信號(hào)的波函數(shù)為r_(t)＝a′sin(w₀t+φ′₀)，利用乘法器，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)信號(hào)的乘法運(yùn)算可以得到如下復(fù)合信號(hào)：

顯然m_(t)是一個(gè)復(fù)合信號(hào)，其中的直流成分是如果使用一個(gè)低頻濾波器可以完全濾掉其交流成分，則可以得到直流分量，進(jìn)而得到a sin(w₀t+φ₀)信號(hào)的幅度值a。

如前文所述，數(shù)字的鎖相放大器能夠從算法理論上能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)微弱小信號(hào)的放大和提取工作。但是整個(gè)分析都基于一個(gè)最基本的假設(shè)，就是所測(cè)量的信號(hào)是“準(zhǔn)靜態(tài)”的，也就是說(shuō)前面的全部討論都認(rèn)為測(cè)量的光電信號(hào)在不調(diào)制的時(shí)候一直是處于不變的狀態(tài)，等待鎖相放大器系統(tǒng)去進(jìn)行“調(diào)制”、“測(cè)量”。但事實(shí)上鎖相放大器面對(duì)的信號(hào)是一個(gè)會(huì)改變的信號(hào)，也就是說(shuō)隨著調(diào)制的進(jìn)行，測(cè)量值本身也會(huì)較為緩慢地發(fā)生變化，當(dāng)兩個(gè)因素結(jié)合在一起的時(shí)候，系統(tǒng)變得更加復(fù)雜，需要建立模型進(jìn)行仿真，以確保最終的系統(tǒng)設(shè)計(jì)是正確的。

根據(jù)前面的分析，設(shè)信號(hào)的強(qiáng)度為E,時(shí)域函數(shù)為V，則鎖相放大器的基本原理可以用如下的數(shù)學(xué)表達(dá)式描述：其中，V_in是待檢測(cè)信號(hào)，V_ref是檢測(cè)用的參考信號(hào)，E_i是構(gòu)成待檢測(cè)信號(hào)的各個(gè)頻率分量的信號(hào)幅值，f_i就是各個(gè)頻率分量的頻率值，是相位，E₀是檢測(cè)用的參考信號(hào)的幅值，f₀就是檢測(cè)用的參考信號(hào)頻率值。

通過(guò)前面的分析及數(shù)學(xué)表達(dá)式可知，鎖相放大器接收到了一個(gè)由調(diào)制過(guò)的真實(shí)檢測(cè)信號(hào)和一大堆由于噪聲等引入的各種頻率的信號(hào)。根據(jù)前面的數(shù)學(xué)模型分析，在系統(tǒng)中設(shè)定一個(gè)基礎(chǔ)的正弦波作為參考信號(hào)，利用參考信號(hào)對(duì)PPG脈搏波的發(fā)光二極管進(jìn)行調(diào)制使之發(fā)出的光為一個(gè)高頻的正弦波。該正弦波信號(hào)通過(guò)人體血管和組織之后，會(huì)出現(xiàn)衰減及相位的改變，本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要點(diǎn)就是檢測(cè)出接收信號(hào)的振幅是多大。根據(jù)前面的分析可以知道，用接收到的信號(hào)與參考信號(hào)做相關(guān)性檢測(cè)，就可以留下參考信號(hào)和檢測(cè)信號(hào)的幅值，而其他不相關(guān)信號(hào)就會(huì)被剔除。

上述分析只是理論分析，在實(shí)際中還有兩個(gè)問(wèn)題要解決：(1)由于相位偏差的存在，如果近用參考信號(hào)去做相關(guān)性檢測(cè)，當(dāng)相位差為的時(shí)候，相關(guān)性檢測(cè)運(yùn)算的結(jié)果為0。所以需要一對(duì)正交的參考信號(hào)來(lái)做相關(guān)性檢測(cè)。(2)由于理論上的算法是考慮積分時(shí)間趨于無(wú)窮，但是實(shí)際上積分時(shí)間是有限的，而且積分效果還要受到“準(zhǔn)靜態(tài)”近似的影響，最終需要確認(rèn)到底積分多久是合適的。

在鎖相放大的研究領(lǐng)域，除了可以使用正弦波調(diào)制信號(hào)以外，還可以使用方波調(diào)制信號(hào)，可以證明使用方波調(diào)制信號(hào)與正弦波具有相同的理論效果，但方波調(diào)制在實(shí)際電路中實(shí)現(xiàn)起來(lái)會(huì)有一定困難，因?yàn)槿魏坞娐返捻憫?yīng)都不可能是理想方波，在本章節(jié)中，為了便于仿真算法的實(shí)現(xiàn)，使用方波調(diào)制進(jìn)行建模，設(shè)被檢測(cè)的微弱小信號(hào)振幅為E_WEAK，其調(diào)制算法的數(shù)學(xué)模型如下面的表達(dá)式所示：其中，被檢測(cè)的微弱小信號(hào)振幅為E_WEAK，V_in是待檢測(cè)信號(hào)，V_ref是檢測(cè)用的參考信號(hào)，n是自然數(shù)序列(就是n∈N)，V是一個(gè)定值(檢測(cè)用的參考信號(hào)中的已知量)，f₀就是檢測(cè)用的參考信號(hào)頻率值。

設(shè)脈搏波傳感器的光電二極管接收到的透射(反射)的光線強(qiáng)度為T(mén)i，顯然Ti是一個(gè)關(guān)于時(shí)間的函數(shù)，這個(gè)函數(shù)繪制出的圖形就是人體的PPG脈搏波，此函數(shù)的時(shí)間軸是由于人體心跳脈搏活動(dòng)自然形成的，在仿真算法中，我們預(yù)設(shè)一個(gè)脈搏波的波形數(shù)據(jù)向量，這個(gè)波形向量是個(gè)一維向量，可以認(rèn)為波形向量以一定的速度發(fā)出波形數(shù)據(jù)，我們定義向量發(fā)出數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度為s，可以定義Ti＝Ti_(s)。我們也可以建模為發(fā)出數(shù)據(jù)的速度為v，則有s＝vt，這個(gè)t可以認(rèn)為是絕對(duì)時(shí)間，這樣可以建模為T(mén)i＝Ti_(vt)。根據(jù)前面的模型，定義脈搏波傳感器的光電二極管接收到的透射信號(hào)實(shí)現(xiàn)調(diào)制后為調(diào)制信號(hào)Ti_mo，其數(shù)學(xué)模型可以用表示，其中，N代表自然數(shù)集合，向量發(fā)出數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度為s，發(fā)出數(shù)據(jù)的速度為v，t就是絕對(duì)時(shí)間，t0是整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的初始時(shí)間，n是自然數(shù)序列(即n∈N),f₀就是檢測(cè)用的參考信號(hào)頻率值。

結(jié)合及就可以聯(lián)立得到整個(gè)使用鎖相放大的PPG脈搏波信號(hào)提取系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。仿真系統(tǒng)中首先動(dòng)作的是波形數(shù)據(jù)向量，隨著仿真時(shí)間的推移，波形向量部分發(fā)出波形信號(hào)，我們認(rèn)為光電二極管首先可以接收到PPG脈搏波信號(hào)Ti，經(jīng)過(guò)的參考信號(hào)f0調(diào)制后得到調(diào)制信號(hào)Ti_mo。但是實(shí)際光電二極管及其放大電路在處理調(diào)制信號(hào)Ti_mo的過(guò)程中會(huì)引入大量的噪聲信號(hào)，而且噪聲信號(hào)足以淹沒(méi)調(diào)制信號(hào)Ti_mo。我們?cè)O(shè)噪聲信號(hào)的表達(dá)式為Noise(t)。我們?cè)O(shè)最終經(jīng)過(guò)鎖相放大器處理后的PPG脈搏波強(qiáng)度信號(hào)為T(mén)ic，如果算法正確，PPG脈搏波強(qiáng)度信號(hào)Tic應(yīng)該近似等于PPG脈搏波的信號(hào)Ti。結(jié)合上述討論，可以得到PPG脈搏波強(qiáng)度信號(hào)Tic的最終表達(dá)式為其中K就是需要仿真的每個(gè)采樣點(diǎn)完成的調(diào)制周期個(gè)數(shù)；其中，被檢測(cè)的微弱小信號(hào)振幅為E_WEAK，V_in是待檢測(cè)信號(hào)，V_ref是檢測(cè)用的參考信號(hào)，n是自然數(shù)序列。

為上述表達(dá)式做離散化處理，便于仿真算法實(shí)現(xiàn)。設(shè)定仿真系統(tǒng)的參數(shù)如下，假定絕對(duì)時(shí)間的仿真最高頻率是鎖相放大器AD的采樣頻率，為fmax，周期為T(mén)_min,，并定義采樣發(fā)生的次數(shù)為n。定義一個(gè)PPG脈搏波的周期為T(mén)_min的d倍，設(shè)為T(mén)1,脈搏波數(shù)據(jù)向量總的長(zhǎng)度定義為L(zhǎng)。定義參考信號(hào)的周期為T(mén)_min的r倍，首先離散化絕對(duì)時(shí)間t，離散化絕對(duì)時(shí)間t＝nT_min。我們令鎖相放大器的滑動(dòng)濾波深度為1，可得到最終數(shù)學(xué)模型表達(dá)式

整個(gè)所述PPG脈搏波信號(hào)提取處理方法所在仿真算法系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖10所示，其內(nèi)部由六個(gè)模塊構(gòu)成。n產(chǎn)生器主要是產(chǎn)生離散的自然數(shù)數(shù)值n，并利用n驅(qū)動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)工作。模擬PPG脈搏波發(fā)生器的主要作用是根據(jù)外部讀入的原始PPG脈搏波波形形向量文件，利用n的增長(zhǎng)不斷地移動(dòng)波形向量文件，送出此時(shí)的PPG脈搏波的強(qiáng)度數(shù)值。

調(diào)制器根據(jù)外部的r值設(shè)定，在n的驅(qū)動(dòng)下，對(duì)PPG脈搏波的強(qiáng)度數(shù)值進(jìn)行調(diào)制。經(jīng)過(guò)了調(diào)制的PPG脈搏波強(qiáng)度數(shù)據(jù)被送入模擬噪聲模塊增加隨機(jī)噪聲。噪聲的強(qiáng)度和大小被外部程序控制。

鎖相放大計(jì)算模塊按照前面的數(shù)學(xué)公式

進(jìn)行鎖相放大的數(shù)值計(jì)算，去除噪音，得到良好的弱信號(hào)放大結(jié)果。由于通常鎖相放大器的結(jié)果仍然需要一個(gè)滑動(dòng)濾波的調(diào)整，才能便于后面的電路或者計(jì)算機(jī)使用，所以增加一個(gè)滑動(dòng)濾波模塊進(jìn)行處理。

模擬PPG脈搏波形發(fā)生器模塊的主要作用是根據(jù)已經(jīng)存儲(chǔ)好的波形文件的波形，連續(xù)不斷地發(fā)出PPG脈搏波的強(qiáng)度數(shù)據(jù)。按照前面的推論，波形文件存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)是一個(gè)關(guān)于序列的函數(shù)，也就是Ti(s)，其中s是自然數(shù)。而序列總長(zhǎng)度為前文所述的波形向量總長(zhǎng)度L。通過(guò)線性擬合的方式，把函數(shù)定義域轉(zhuǎn)換到實(shí)數(shù)域上，可以設(shè)計(jì)出連續(xù)PPG脈搏波形發(fā)生器。

調(diào)制器模塊受到外部變量r的控制，r決定仿真過(guò)程中這個(gè)函數(shù)的跳變周期，這個(gè)模塊通過(guò)給輸出的數(shù)值增加一個(gè)正負(fù)號(hào)來(lái)進(jìn)行調(diào)制。模擬噪聲模塊被外部的噪聲控制變量影響，通過(guò)增加實(shí)驗(yàn)測(cè)得的噪聲數(shù)值范圍，利用高階隨機(jī)函數(shù)給系統(tǒng)增加白噪聲，直接把白噪聲數(shù)值增加到調(diào)制信號(hào)上面。

鎖相放大計(jì)算模塊是一個(gè)核心計(jì)算模塊，它的輸出是一個(gè)變量，這個(gè)變量只有在n能整除r的時(shí)候才能改變數(shù)值，也就是在完成了一個(gè)調(diào)制周期的采樣計(jì)算后才能改變數(shù)值。計(jì)算的方法套用

數(shù)字鎖相放大器提取PPG脈搏波的仿真軟件流程圖如圖11所示，程序首先初始化n的數(shù)值，然后根據(jù)仿真需要或者上級(jí)函數(shù)的需要輸入r和d的數(shù)值，以及對(duì)噪聲大小控制的變量數(shù)值。然后判定n的數(shù)值是否到達(dá)了根據(jù)r和d計(jì)算的仿真結(jié)束條件。如果n小于計(jì)算出的最大值，n進(jìn)行自加運(yùn)算，然后送給函數(shù)計(jì)算出此n值對(duì)應(yīng)的PPG脈搏波的強(qiáng)度數(shù)值，然后對(duì)這個(gè)PPG脈搏波的強(qiáng)度數(shù)值進(jìn)行調(diào)制運(yùn)算，調(diào)制運(yùn)算的結(jié)果送入噪聲函數(shù)增加噪聲。

把經(jīng)過(guò)調(diào)制并且含有噪聲的PPG脈搏波的強(qiáng)度數(shù)值送入鎖相放大器計(jì)算模塊進(jìn)行計(jì)算，如果計(jì)算，計(jì)算是一個(gè)累加計(jì)算，在n能被r整除的前提下，可以完成一次運(yùn)算，并且輸出數(shù)值到存儲(chǔ)文件。完成了上述計(jì)算和輸出之后，重新判定n然后判定n的數(shù)值是否到達(dá)了根據(jù)r和d計(jì)算的仿真結(jié)束條件。如果n等于或者大于計(jì)算出的最大值，程序結(jié)束退出。

本例從基于鎖相放大器提取PPG脈搏波信號(hào)提取處理方法的實(shí)際研究所遇到的問(wèn)題出發(fā)，為了解決目前數(shù)字鎖相放大器提取PPG脈搏波參數(shù)調(diào)整和系統(tǒng)優(yōu)化評(píng)估等需求，通過(guò)對(duì)PPG脈搏波產(chǎn)生進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，到對(duì)系統(tǒng)中的鎖相放大器進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，以及整體系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模，設(shè)計(jì)出了一套行之有效的基于鎖相放大器提取PPG脈搏波信號(hào)提取處理方法，通過(guò)設(shè)計(jì)軟件流程圖并最終完成了該算法的軟件設(shè)計(jì)，仿真效果理想為后文的參數(shù)選擇提供了有效的依據(jù)，避免盲目實(shí)驗(yàn)摸索，大大提升研究的效率。

也就是說(shuō)，本例所述鎖相放大處理模塊用于對(duì)PPG脈搏波信號(hào)進(jìn)行提取、放大和處理，所述鎖相放大處理模塊包括模擬PPG脈搏波發(fā)生器、調(diào)制器、自然數(shù)數(shù)值產(chǎn)生器、模擬噪聲模塊、鎖相放大計(jì)算模塊和滑動(dòng)濾波模塊，所述自然數(shù)數(shù)值產(chǎn)生器用于產(chǎn)生離散的自然數(shù)數(shù)值n，并通過(guò)自然數(shù)數(shù)值n驅(qū)動(dòng)所述鎖相放大處理模塊工作；所述模擬PPG脈搏波發(fā)生器根據(jù)采集的原始PPG脈搏波的波形向量文件，并通過(guò)自然數(shù)數(shù)值n的增長(zhǎng)實(shí)時(shí)地移動(dòng)所述波形向量文件，輸出當(dāng)前PPG脈搏波的強(qiáng)度數(shù)值至所述調(diào)制器；所述調(diào)制器對(duì)PPG脈搏波的強(qiáng)度數(shù)值進(jìn)行調(diào)制，經(jīng)過(guò)了調(diào)制后的PPG脈搏波的強(qiáng)度數(shù)值發(fā)送至所述模擬噪聲模塊中增加隨機(jī)噪聲，然后發(fā)送至所述鎖相放大計(jì)算模塊；所述鎖相放大計(jì)算模塊對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行鎖相放大的數(shù)值計(jì)算，以實(shí)現(xiàn)去除噪音和放大處理，并通過(guò)所述滑動(dòng)濾波模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)調(diào)整。

本例所述波形向量文件存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)是序列函數(shù)，其序列函數(shù)的總長(zhǎng)度為脈搏波的波形向量總長(zhǎng)度；根據(jù)自然數(shù)數(shù)值n的增長(zhǎng)并通過(guò)線性擬合把序列函數(shù)的定義域轉(zhuǎn)換到實(shí)數(shù)域上，進(jìn)而得到連續(xù)的模擬PPG脈搏波發(fā)生器。本例還包括參考信號(hào)輸入模塊，所述參考信號(hào)輸入模塊輸出參考信號(hào)以對(duì)PPG脈搏波傳感器的發(fā)光二極管實(shí)現(xiàn)調(diào)制，使得所述發(fā)光二極管發(fā)出的光為高頻正弦波。

如圖11所示，本例所述鎖相放大處理模塊用于對(duì)PPG脈搏波信號(hào)進(jìn)行提取、放大和處理包括以下步驟：

步驟S1，初始化自然數(shù)數(shù)值n；

步驟S2，輸入r和d的數(shù)值，并輸入對(duì)隨機(jī)噪聲大小進(jìn)行控制的變量數(shù)值，r為參考信號(hào)的周期與AD采樣電路的采樣周期之間的比例，d為PPG脈搏波的周期與AD采樣電路的采樣周期之間的比例；

步驟S3，判斷自然數(shù)數(shù)值n是否達(dá)到最大值，若是則結(jié)束，若否則跳轉(zhuǎn)至步驟S4；

步驟S4，自然數(shù)數(shù)值n實(shí)現(xiàn)自加運(yùn)算，然后通過(guò)所述模擬PPG脈搏波發(fā)生器計(jì)算出當(dāng)前自然數(shù)數(shù)值n對(duì)應(yīng)的PPG脈搏波的強(qiáng)度數(shù)值，并對(duì)PPG脈搏波的強(qiáng)度數(shù)值進(jìn)行調(diào)制、增加隨機(jī)噪聲以及鎖相放大計(jì)算；重復(fù)步驟S4直到自然數(shù)數(shù)值n能夠被r整除，則完成一個(gè)調(diào)制周期的提取、放大和處理，輸出數(shù)值后結(jié)束。

本例通過(guò)對(duì)人體PPG脈搏波這種微弱信號(hào)進(jìn)行了調(diào)制等處理，使得人體PPG脈搏波這種微弱信號(hào)剛好能夠被基于FPGA實(shí)現(xiàn)的鎖相放大處理模塊進(jìn)行提取、放大和處理，進(jìn)而提供了一個(gè)完整且有效的PPG脈搏波信號(hào)提取系統(tǒng)，本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，有效控制了系統(tǒng)成本，并具有非常好的信噪比，能高效地提取人體的PPG脈搏波這種微弱信號(hào)。

以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施只局限于這些說(shuō)明。對(duì)于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡(jiǎn)單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。