楊 媛,彭 凱,呂 磊,高 勇

(西安理工大學(xué)電子工程系,西安710048)

視覺假體高階調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)VLSI優(yōu)化設(shè)計

楊 媛,彭 凱,呂 磊,高 勇

(西安理工大學(xué)電子工程系,西安710048)

視覺假體中無線能量傳輸效率和無線數(shù)據(jù)傳輸速率隨著信號載頻頻率增大而減小。為此,提出將16DAPSK高階調(diào)制解調(diào)技術(shù)應(yīng)用于視覺假體中。分析16DAPSK在視覺假體中的應(yīng)用優(yōu)勢,給出16DAPSK超大規(guī)模集成電路(VLSI)算法和硬件結(jié)構(gòu)。結(jié)合濾波器系數(shù)對稱、簡化的RAG算法圖等實現(xiàn)電路的VLSI優(yōu)化設(shè)計?；贒E4平臺完成系統(tǒng)硬件驗證、數(shù)據(jù)傳輸速率、能量傳輸效率分析與實驗。結(jié)果表明,系統(tǒng)工作正確,采用16DAPSK技術(shù)可簡化電路解調(diào)硬件結(jié)構(gòu),解決信道延遲的不定性問題,提高視覺假體應(yīng)用的可靠性。VLSI優(yōu)化后的硬件資源減少57%,體積減小,提高了視覺假體臨床應(yīng)用的可行性。較傳統(tǒng)低階調(diào)制技術(shù),16DAPSK高階調(diào)制在較高的數(shù)據(jù)傳輸速率下,載波頻率的降低提高了能量傳輸效率,解決了能量與數(shù)據(jù)傳輸效率矛盾的問題。

16DAPSK技術(shù);視覺假體;超大規(guī)模集成電路;光幻視;能量效率

1 概述

科技的發(fā)展讓整個世界變得日新月異,也給一些曾經(jīng)不可治愈的疾患病人帶來了福音。心臟起搏器、人工耳蝸、人工關(guān)節(jié)等無一不是科技進步的見證。然而,如何使盲人恢復(fù)部分視覺功能仍是一個極具挑戰(zhàn)性的問題。采用視覺假體幫助盲人患者產(chǎn)生視覺感受是目前國內(nèi)外學(xué)者正在研究的熱點問題之一,目前已取得了很多階段性研究成果[1-2]。視覺假體利用多數(shù)盲人往往只有部分視覺通路發(fā)生病變,而其余部分神經(jīng)組織的結(jié)構(gòu)和功能尚完好的特點,對視覺通路的完好部位施加特定的人工電刺激,來興奮神經(jīng)細(xì)胞,模擬自然光刺激的效果,使盲人產(chǎn)生視覺感受[3]。按植入位置不同,視覺假體主要分為3類:視網(wǎng)膜假體,視神經(jīng)假體,視皮層假體[4]。無線射頻傳輸電路是視覺假體中不可或缺的模塊之一。對于生物植入設(shè)備,難點在于解決能量和數(shù)據(jù)傳輸效率矛盾的問題,同時保證設(shè)備體積足夠小。由于皮膚對信號的吸收,為了提高能量傳輸效率,要求載波頻率降低;同時,為了保證數(shù)據(jù)傳輸速率,又要求提高載波頻率,通用的解決方法是采用雙線圈能量數(shù)據(jù)分開傳輸,但這樣會增加電路體積和引起線圈之間的干擾,不利于生物體內(nèi)植入[5-6]。本文提出將高階調(diào)制解調(diào)技術(shù)應(yīng)用于視覺假體中,用單線圈實現(xiàn)低的載波頻率傳輸高的數(shù)據(jù)速率,以解決能量與數(shù)據(jù)傳輸效率矛盾問題。分析MDAPSK(高階差分幅度相移鍵控)的應(yīng)用優(yōu)勢,并對16DAPSK進行VSLI設(shè)計與優(yōu)化,最后在DE4平臺上采用Altera的Stratix IV GX系列芯片驗證了設(shè)計的硬件系統(tǒng),同時進行了能量傳輸效率實驗分析。

2 視覺假體系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)框圖

視覺假體系統(tǒng)框圖如圖1所示。系統(tǒng)分體外部分和體內(nèi)部分,體外部分包括圖像采集、處理、編碼模塊和數(shù)據(jù)調(diào)制模塊,體內(nèi)植入部分包括能量接收、數(shù)據(jù)解調(diào)、數(shù)字控制邏輯、電極驅(qū)動模塊和電極陣列。

圖1 視覺假體系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)的工作原理如下:通過圖像采集、處理,編碼系統(tǒng)獲取外部視覺信息;將編碼后的外界圖像信息通過調(diào)制模塊調(diào)制到體外線圈上發(fā)射;體內(nèi)植入線圈通過皮膚信道接收來自體外線圈的發(fā)射信號;能量接收模塊和數(shù)據(jù)解調(diào)模塊分別獲取模塊供電電壓和電極刺激信息;數(shù)字控制邏輯處理解調(diào)后數(shù)據(jù),得到指定周期和間隔的刺激脈沖開關(guān)控制信號;開關(guān)控制信號控制電極驅(qū)動電路,產(chǎn)生指定脈寬和電流大小的刺激信號,加載到刺激電極陣列;刺激電極陣列植入視覺通路,刺激視覺細(xì)胞,產(chǎn)生生物動作電位,進而產(chǎn)生光幻視。

2.2 系統(tǒng)特性與調(diào)制方式選擇

視覺假體作為生物植入設(shè)備要求具體有體積小、功耗低、穩(wěn)定性高等特性。體積的減小可增加臨床應(yīng)用的可行性;功耗低可減少植入設(shè)備在人體內(nèi)部的發(fā)熱,避免對人體組織造成傷害;由于視覺假體系統(tǒng)發(fā)送端與接收端傳輸距離存在不確定性,導(dǎo)致信道的傳播延時存在不確定性,因此高的穩(wěn)定性要求系統(tǒng)能夠解決信道延遲問題。

高階調(diào)制解調(diào)技術(shù)一個碼元可攜帶多位數(shù)據(jù)信息,因此,較低階調(diào)制解調(diào)技術(shù),高階調(diào)制解調(diào)在相同的數(shù)據(jù)傳輸速率下,碼元速率更低,這樣既有利于降低通信載波頻率,解決能量與數(shù)據(jù)傳輸效率矛盾的問題,又可以降低解調(diào)端信號翻轉(zhuǎn)概率,從而減小系統(tǒng)功耗,提高視覺假體性能。目前廣泛應(yīng)用的高階調(diào)制技術(shù)是正交振幅調(diào)制(Quadrature Amplitude Modulation,QAM),但QAM需要采取相干解調(diào),這就需要了解傳輸信號的信道失真,也就是作信道估計,增加了電路復(fù)雜性,同時還需要在數(shù)據(jù)流中插入訓(xùn)練符號序列,又會使系統(tǒng)的有效傳輸速率降低,因此,QAM技術(shù)并不適用于視覺假體無線射頻傳輸中。DAPSK[7-8]技術(shù)可以克服上述缺點,其解調(diào)的可靠性與信道延遲無關(guān),這大大降低了解調(diào)端硬件復(fù)雜度,因此,與QAM技術(shù)相比,DAPSK技術(shù)能更好地滿足視覺假體對體積、功耗、穩(wěn)定性方面的要求。本文選擇16DAPSK作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)調(diào)制方式,對調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)進行VLSI設(shè)計和優(yōu)化,并給出了相關(guān)硬件驗證結(jié)果。

3 16DAPSK調(diào)制解調(diào)算法

3.1 16DAPSK編解碼方式

MDAPSK是基于幅度和相位差分的方式進行調(diào)制的,其信號空間表達式為:

矢量集S概括了差分信號空間。其中,Na是幅度狀態(tài)數(shù),Na=2ma;ma為用于幅度調(diào)制的比特數(shù);Np是相位狀態(tài)數(shù),Np=2mp;mp為用于相位調(diào)制的比特數(shù);信號的總狀態(tài)數(shù)M=Na×Np=2m;m為輸入比特數(shù),要求m=ma+mp;Δφ為矢量的最小相位差,且有Δφ=π/NP,為了避免由于180°相位跳變使信號包絡(luò)產(chǎn)生很大波動,頻譜特性變差,在旁瓣上聚集更多的能量,要求相鄰調(diào)制符號周期的信號相位差Δφi滿足如下公式:

以16DAPSK為例,每個碼元包含4 bit(下面以ABCD表示)信息,高位用于差分幅度調(diào)制,幅度階數(shù)Na=2,低3位用于相位調(diào)制,相位階數(shù)為Np=8,最小差分相位Δφ=π/8,信號狀態(tài)數(shù)為16。圖2為16DAPSK信號空間的坐標(biāo)分布,在每個幅度圓周上分布了8個相位點,共同構(gòu)成差分信號空間。虛線區(qū)域上的點對應(yīng)的差分幅值γk為2或0.5,表示數(shù)據(jù)最高位A為“1”,實線區(qū)域上的點對應(yīng)γk為1,表示數(shù)據(jù)最高位A為“0”。數(shù)據(jù)低3位通過差分相位進行編碼,其與差分相位對應(yīng)關(guān)系如表1所示。其中,sin(ΔΦk)＞0=＞B=0;cos(ΔΦk)＞0=＞C= 0;sin(ΔΦk)＜0=＞B=1;cos(ΔΦk) ＜0=＞C= 1;|sin(ΔΦk)|＜|cos(ΔΦk)|= ＞D=0;|sin (ΔΦk)|＞|cos(ΔΦk)|=＞D=1。采用這種方式編碼的優(yōu)點是只要從數(shù)值的符號和絕對值的大小就能判斷出具體的數(shù)據(jù)信息,從而簡化數(shù)據(jù)解碼過程,減少硬件資源。

圖2 16DAPSK信號空間

表1 16DAPSK相位編碼

3.2 16DAPSK調(diào)制原理

設(shè)第K個碼元調(diào)制后的信號為Sk,且信號的表示形式如式(3)所示:

其中,Ak為信號的幅度;ωc為載波的角頻率;φk為信號的相位;Δφk為碼元間的相位差。

利用三角函數(shù)展開Sk得:

令I(lǐng)k=cos(φk),Qk=sin(φk),那么Ik-1= cos(φk-1),Qk-1=sin(φk-1)。它們的關(guān)系如式(3)、式(4)所示:

調(diào)制所需信息有:幅度差分值γk(Ak=γk×Ak-1),前一已調(diào)信號幅度Ak-1,相位差值Δφk和前一已調(diào)信號相位φk-1。

3.3 16DAPSK解調(diào)原理

設(shè)解調(diào)端接收的信號為S′k,表示形式如式(7)所示:

其中,φd為信號在信道中的相位延遲。

與接收端同頻載波進行混頻的結(jié)果如式(8)、式(9)所示:

其中,φc為發(fā)收兩端載波相位差。

經(jīng)過匹配濾波后輸出的信號如式(10)、式(11)所示:

由上式推得前一碼元的表示形式如式(12)、式(13)所示:

令:

由式(12)、式(13),得:

再由式(14)、式(15),得:

其中,γk=Ak/Ak-1為碼元間的幅度比。最后由式(17)、式(18)可推出:

從上述解調(diào)原理可以看出,信號在信道中的相位延遲φd、發(fā)收兩端載波相位差φc,在解調(diào)運算過程中僅作為中間運算量,對實際解調(diào)結(jié)果不產(chǎn)生影響。因此,將16DAPSK技術(shù)用于視覺假體射頻傳輸中,解調(diào)無需提取相干載波,也不需要對信號在信道中的延遲做特殊處理,這既簡化了解調(diào)過程,降低硬件資源,又解決了由于收發(fā)距離不定性導(dǎo)致的信道延遲問題,提高了視覺假體應(yīng)用的可靠性。

4 16DAPSK VLSI設(shè)計與優(yōu)化

4.1 調(diào)制解調(diào)端VLSI硬件結(jié)構(gòu)

調(diào)制端VLSI硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3(a)所示。輸入信號經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換后,高位進行幅度編碼,低3位進行相位編碼。相位編碼后信息結(jié)合幅度編碼信息通過差值和匹配濾波提高系統(tǒng)所占的頻帶資源,同時減小功率譜的旁瓣衰減幅度,這樣,在保證奈奎斯特準(zhǔn)則的前提下,通過增大帶寬來保證采樣的準(zhǔn)確性。最后信號通過混頻相加并轉(zhuǎn)化為模擬信號后由線圈發(fā)射出去,由于采用差分方式,取模調(diào)制后信號用于下一個符號周期信號的編碼。

解調(diào)端的VLSI硬件框圖如圖3(b)所示。調(diào)制后信號經(jīng)過混頻濾波電路得到攜帶數(shù)據(jù)編碼信息的基帶信號,該信號不能直接參與后續(xù)運算,因為其中包括一些無效的數(shù)值。碼元同步電路就是要根據(jù)匹配濾波后的信號恢復(fù)出對應(yīng)每點峰值的采樣信號,而后經(jīng)過延遲和運算電路得到相關(guān)解碼信號(γk,cos(Δφk),sin(Δφk)),解碼電路采用差分幅度解碼最高位,差分相位解碼低3位,解碼后的數(shù)據(jù)經(jīng)過并串轉(zhuǎn)換電路恢復(fù)出調(diào)制端發(fā)送的串行數(shù)據(jù)。

圖3 16DAPSK VLSI硬件框圖

4.2 調(diào)制解調(diào)端VLSI硬件優(yōu)化

視覺假體為生物植入設(shè)備,考慮到人體皮膚組織對高頻信號的吸收特性[9-11],本系統(tǒng)載波頻率取2 MHz,數(shù)據(jù)頻率為1 Mb/s,時鐘為16 MHz;同時考慮患者的安全,要求電路盡量優(yōu)化。表2為16DAPSK VLSI邏輯綜合硬件分布(HHNEC 0.35μm庫),可以看出,濾波器硬件資源占總電路,即濾波器所占面積/總面積高達85%。因此,數(shù)字濾波器的優(yōu)化成為減少整體硬件資源的關(guān)鍵。

表2 16DAPSK VLSI硬件分布

16DAPSK VLSI中FIR濾波器基本結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 濾波器基本結(jié)構(gòu)

濾波器需要進行大量乘法運算,而乘法運算耗費大量硬件資源,減少乘法器面積將大幅度減少電路總面積。對于常系數(shù)FIR數(shù)字濾波器,乘法器可以通過一系列的移位累加來實現(xiàn)。本次優(yōu)化主要通過系數(shù)對稱、系數(shù)分解,同時共用部分子表達式來優(yōu)化電路結(jié)構(gòu),在此基礎(chǔ)上得出乘法運算電路的RAG算法圖[12-13],從而達到簡化VLSI硬件的目的。

根據(jù)16DAPSK硬件需求,利用 Matlab中的FDATOOL工具設(shè)計得到濾波器系數(shù),并量化,如表3所示。

表3 濾波器系數(shù)

從上述濾波器系數(shù)表格可以看出,濾波器系數(shù)關(guān)于中間系數(shù)h17對稱,因而輸入數(shù)據(jù)x(n)與系數(shù)h18～h33相乘運算可以省略,共用其與系數(shù)h1～h16相乘結(jié)果。在系數(shù)對稱的基礎(chǔ)上,去掉濾波器系數(shù)符號(符號可以通過濾波器的抽頭延遲線上的減法來實現(xiàn)),利用系數(shù)分解并共用部分子表達式進一步減小電路硬件資源,系數(shù)處理過程如表4所示。

結(jié)合上表系數(shù)處理過程可得到輸入數(shù)據(jù)x(n)與系數(shù)相乘的RAG(Reduced Adder Graph)算法圖以及最終優(yōu)化后的濾波器示意圖如圖5所示。

對濾波器常系數(shù)乘法器進行優(yōu)化后,再次綜合16DAPSK電路,得到電路硬件分布如表5所示。其中,濾波器所占面積/總面積為65%。對比表5和表2,可以看出:經(jīng)電路優(yōu)化后,16DAPSK硬件資源減少高達57%。電路規(guī)模的減小對于視覺假體生物植入設(shè)備臨床應(yīng)用于具有巨大的實踐意義。

表4 濾波器系數(shù)處理過程

圖5 濾波器優(yōu)化

表5 16DAPSK VLSI優(yōu)化后硬件分布

5 16DAPSK VLSI系統(tǒng)驗證

5.1 調(diào)制解調(diào)電路仿真

對16DAPSK VLSI硬件電路設(shè)計及優(yōu)化后,采用synopsys vcs軟件對電路代碼進行仿真驗證。仿真結(jié)果如圖6所示,其中,filter_cout信號為解調(diào)端匹配濾波后攜帶了碼元信息的同步信號;syn_out信號為同步采樣信號序列,采樣同步信號有效峰值用于數(shù)據(jù)解碼,其中一個同步信號對應(yīng)4位數(shù)據(jù)信息的解碼;din為調(diào)制端發(fā)送的隨機數(shù)據(jù)序列;dout為經(jīng)過16DAPSK VLSI后的解調(diào)數(shù)據(jù)。從圖中可以看出,發(fā)送與接收數(shù)據(jù)經(jīng)過一定延遲后保持一致,數(shù)據(jù)收發(fā)功能正確。

圖6 16DAPSK VLSI仿真

5.2 調(diào)制解調(diào)電路硬件驗證

16DAPSK VLSI通過功能仿真后,在Altera DE4驗證平臺進行了系統(tǒng)的FPGA硬件驗證。驗證框圖如圖7所示,調(diào)制后的信號輸出到DAC中,然后通過ADC輸入到混頻電路中,以模擬視覺假體實際工作過程。調(diào)制后中間信號通過示波器采集觀察;在確保中間信號正確的前提下,通過嵌入式邏輯分析儀驗證收發(fā)數(shù)據(jù)是否一致。

圖7 FPGA驗證方案框圖

最終驗證得到調(diào)制后信號波形及系統(tǒng)整體驗證結(jié)果如圖8所示。

圖8 16DAPSK硬件驗證結(jié)果

圖8 (a)為16DAPSK調(diào)制后信號波形,調(diào)制后的前后有效碼元幅度比值為1,0.5或2,幅度實現(xiàn)了差分;圖8(b)為嵌入式邏輯分析儀對電路進行了整體的數(shù)據(jù)收發(fā)情況驗證結(jié)果,din為發(fā)送數(shù)據(jù)比特流,dout為接收端解調(diào)后的數(shù)據(jù)比特流,可觀察到dout經(jīng)過一定的系統(tǒng)延遲后與din數(shù)據(jù)達到一致。實驗結(jié)果表明,16DAPSK調(diào)制解調(diào)硬件電路功能正確,能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的頻帶通信,滿足視覺假體應(yīng)用要求。

5.3 數(shù)據(jù)與能量傳輸效率分析與驗證

考慮到植入設(shè)備的安全性,視覺假體射頻傳輸采用單線圈對同時傳輸能量和數(shù)據(jù),目前國內(nèi)外普遍利用低階調(diào)制解調(diào)技術(shù),載波頻率選擇在5 MHz～15 MHz范圍,數(shù)據(jù)傳輸速率停留在500 Kb/s以下,能量傳輸效率低于70%[4,14-15],未見相關(guān)高階技術(shù)應(yīng)用的報道。由于一個碼元可攜帶多位數(shù)據(jù)信息,本文提出的16DAPSK技術(shù)在2 MHz載波頻率下數(shù)據(jù)正確傳輸速率達到1 Mb/s,較傳統(tǒng)低階調(diào)制技術(shù),數(shù)據(jù)傳輸效率提高了2倍多,這使得相同時間段內(nèi)刺激電極數(shù)量增加,進而提高光幻視分辨率。在數(shù)據(jù)傳輸速率得以提高的基礎(chǔ)上,為進一步驗證16DAPSK高階技術(shù)在視覺假體能量傳輸效率上的優(yōu)勢,利用頻譜測量儀測試信號能量,采用當(dāng)日宰殺的新鮮豬肉將次級線圈全方位緊密包裹模仿人體生物組織對能量傳輸效率的影響,線圈之間的距離為2 cm,測得16DAPSK電路發(fā)射信號功率為24.55 dBm,即約285 mW;接收信號功率為23.40 dBm,即約219 mW,能量傳輸效率達到近77%,較傳統(tǒng)低階調(diào)制技術(shù),16DAPSK調(diào)制技術(shù)載波頻率的大幅降低明顯提高了信號能量傳輸效率。

6 結(jié)束語

本文主要針對視覺假體中能量與數(shù)據(jù)傳輸效率的矛盾問題,提出將16DAPSK高階調(diào)制解調(diào)技術(shù)應(yīng)用于視覺假體的無線能量與數(shù)據(jù)傳輸中。首先分析了視覺假體特性以及16DAPSK在視覺假體應(yīng)用中的優(yōu)勢,然后對16DAPSK VLSI進行設(shè)計和針對性的優(yōu)化,優(yōu)化后電路硬件資源降幅高達57%,提高了視覺假體生物植入的可靠性和安全性,電路優(yōu)化完成后,16DAPSK VLSI在Altera DE4平臺完成驗證,整個系統(tǒng)硬件功能正確,最后通過分析與實驗驗證了16DAPSK可有效解決數(shù)據(jù)與能量傳輸效率的矛盾。

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編輯 顧逸斐

VLSI Optimization Design of Visual Prosthesis High-order Modulation and Demodulation System

YANG Yuan,PENG Kai,LV Lei,GAO Yong
(Department of Electronic Engineering,Xi’an University of Technology,Xi’an 710048,China)

Considering the contradiction between the efficiency of wireless power transmission and rate of data transmission on the choice of carrier for visual prosthesis,this paper presents 16DAPSK high-order modulation and demodulation technology for visual prosthesis application.Application advantage for 16DAPSK is analysed combined with the algorithm,then Very Large Scale Integration(VLSI)for 16DAPSK is designed and optimized by reducing circuit scales of filters with symmetrical characteristics of coefficients and RAG method.The hardware is verified on the DE4 platform as well as the efficiency of wireless power transmission and rate of data transmission.Experimental results show that the system works correctly,16DAPSK technology can solve the problem of channel delay and improve performance for visual prostheses with the simplified demodulation hardware structure.By optimizing,hardware resources are reduced by 58%,which increases the feasibility of clinical application for visual prosthesis.Compared with traditional methods, energy efficiency experiment shows that the lower communication frequency for 16DAPSK settles the aforementioned contradiction.

16DAPSK technology;visual prosthesis;Very Large Scale Integration(VLSI);phosphene;energy efficiency

1000-3428(2014)10-0281-06

A

TP331

10.3969/j.issn.1000-3428.2014.10.052

國家自然科學(xué)基金資助項目(61102017);陜西省教育廳專項科研計劃基金資助項目(12JK0499)。

楊 媛(1974-),女,教授、博士生導(dǎo)師,主研方向:集成電路設(shè)計;彭 凱、呂 磊,碩士研究生;高 勇,教授。

2013-11-14

2013-12-16E-mail:pengkxaut@163.com

中文引用格式:楊 媛,彭 凱,呂 磊,等.視覺假體高階調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)VLSI優(yōu)化設(shè)計[J].計算機工程,2014, 40(10):281-286,291.

英文引用格式:Yang Yuan,Peng Kai,Lv Lei,et al.VLSI Optimization Design of Visual Prosthesis High-order Modulation and Demodulation System[J].Computer Engineering,2014,40(10):281-286,291.