不久前，我們的一位同事正在研究設(shè)計(jì)智能手表，健身可穿戴設(shè)備等時(shí)固有的一些挑戰(zhàn)。主要挑戰(zhàn)之一是如何獲得更好的信號(hào)質(zhì)量，以便獲得更準(zhǔn)確的血氧飽和度測(cè)量值。該解決方案基于我們先前在擴(kuò)頻技術(shù)方面的經(jīng)驗(yàn)。我們意識(shí)到，我們可以使用這些相同的技術(shù)來(lái)改善多傳感器數(shù)據(jù)環(huán)境（例如脈搏血氧儀應(yīng)用）中的信噪比（SNR）。

讓我們從談?wù)撁}搏血氧飽和度測(cè)量開(kāi)始，然后再介紹新技術(shù)。該演示應(yīng)用程序的框圖在圖1中給出。在整篇文章中，我們將參考此圖。

圖1反射式脈搏血氧儀（RPO）應(yīng)用框圖

您很可能對(duì)從醫(yī)生辦公室出行的脈搏血氧飽和度非常熟悉。護(hù)士進(jìn)來(lái)，稱重您的體重，然后在您的手指上放一個(gè)夾子，該夾子使用紅色和紅外LED來(lái)測(cè)量您的心率和血液中的氧飽和度。手術(shù)室中使用的更高級(jí)的監(jiān)視器使用多達(dá)8個(gè)波長(zhǎng)來(lái)測(cè)量心率，血氧飽和度，一氧化碳中毒以及與全身麻醉下患者相關(guān)的其他因素。

利用更多信號(hào)源（在脈搏血氧儀中為L(zhǎng)ED）的傳感器所面臨的一個(gè)問(wèn)題與擁有許多用戶的通信系統(tǒng)所面臨的問(wèn)題類似。每個(gè)LED必須共享相同的傳感器（光電二極管）。通常，這是通過(guò)依次打開(kāi)每個(gè)光源，然后依次進(jìn)行每個(gè)測(cè)量來(lái)完成的。因此，每個(gè)源都有自己的時(shí)間片，傳感器可以在其中獲得其測(cè)量值。這稱為時(shí)分復(fù)用（TDM）。主要缺點(diǎn)是，在保持其他所有傳感器不變的情況下，增加更多的傳感器需要更多的時(shí)間來(lái)從每個(gè)源獲取測(cè)量值，從而降低了每個(gè)源的總體采樣率。另外，由于您要測(cè)量的信號(hào)（動(dòng)脈搏動(dòng)）是變化的信號(hào)，因此測(cè)量值會(huì)因其采集順序而有偏差（圖2）。）。高采樣率可以幫助減少這兩個(gè)問(wèn)題，但最后一個(gè)問(wèn)題是當(dāng)前技術(shù)要求從源測(cè)量值中減去背景測(cè)量值。

圖2采樣偏差圖示

許多無(wú)線應(yīng)用到達(dá)的方法是使用碼分多址（CDMA）。在該技術(shù)中，系統(tǒng)使用彼此之間具有非常低互相關(guān)的編碼序列（例如，金碼）。這允許頻譜的多個(gè)用戶同時(shí)共存，而代碼之間的串?dāng)_很小。在數(shù)字系統(tǒng)中，可以很容易地丟棄最少量的串?dāng)_，但這足以在嘗試進(jìn)行精確的模擬測(cè)量時(shí)引起問(wèn)題。如果您不熟悉此主題，那么現(xiàn)在可能是閱讀CDMA，黃金代碼和直接序列擴(kuò)展頻譜的好時(shí)機(jī)。

我們用于該脈搏血氧儀的技術(shù)使用了最大長(zhǎng)度（ML）序列，該序列又用于生成黃金代碼，但是我們不使用多個(gè)序列，而是僅使用一個(gè)序列并對(duì)每個(gè)信號(hào)源進(jìn)行了相移。我們將其稱為相分復(fù)用（PDM）。這是由于ML序列的某些屬性而起作用的。

最大長(zhǎng)度（ML）序列屬性

ML序列之所以得名，是因?yàn)樗硎究梢杂山o定位數(shù)表示的（非零）狀態(tài)的最大數(shù)量。因此，例如，給定四個(gè)位，該序列將在每15（2n-1）個(gè)狀態(tài)或“碼片”之后重復(fù)。結(jié)果，輸出序列具有幾乎相等的1和0（“ 0”比“ 1”少1）。通常將ML序列的輸出視為“ 1”和“ -1”（代替“ 0”）的序列。此表示創(chuàng)建了一些有用的屬性。ML序列的自相關(guān)類似于脈沖，值為2n-1的單個(gè)尖峰和所有其他相位偏移的平坦-1。如果輸出信號(hào)以零發(fā)送，則尖峰變?yōu)?n-1，并且非高峰相關(guān)性為0。這意味著，如果我們重復(fù)并移位了相同的序列，則可以使用相關(guān)性來(lái)分離組成信號(hào)。此屬性在圖3中說(shuō)明。頂部的圖顯示了ML序列。順序被移位以生成“紅色”和“ IR”信號(hào)。模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）看到組合后的信號(hào)，最終曲線圖顯示了參考信號(hào)與信號(hào)之間的圓形互相關(guān)。這兩個(gè)峰值與紅色和IR信號(hào)的相移一致。所有其他相位偏移的相關(guān)性為零。這意味著我們可以插入另外13個(gè)傳感器源，而不會(huì)影響測(cè)量周期或其他源的結(jié)果。與傳統(tǒng)的TDM方法相比，這代表了巨大的收益。

圖3PDM示例；X和Y軸是以任意單位表示的時(shí)間和幅度

生成ML序列

ML序列是使用線性反饋移位寄存器（LFSR）生成的。這些可以用硬件或軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖4顯示了LFSR的示例。LFSR可以使用三個(gè)或更多個(gè)觸發(fā)器的任意長(zhǎng)度的移位寄存器，并將一組觸發(fā)器的輸出與返回移位寄存器的輸入進(jìn)行XOR運(yùn)算。表1提供了有效LFSR參數(shù)的選擇。圖4中的LFSR為n = 4，抽頭= 3。LFSR可以有多個(gè)抽頭，對(duì)于任何給定的尺寸，總會(huì)有至少兩個(gè)抽頭選項(xiàng)。圖4中所示的LFSR配置也可以在圖1中找到，它是使用可配置邏輯單元（CLC）構(gòu)造的。

圖4線性反饋移位寄存器（LFSR），大小= 4，抽頭= 3

表1LFSR參數(shù)，《電子藝術(shù)》第3版，第1頁(yè)。976

相關(guān)性

最后一步是相關(guān)性，這是通過(guò)將傳感器結(jié)果與LED的狀態(tài)相乘（1表示打開(kāi)，-1表示關(guān)閉）并積分/累加乘積來(lái)完成的。換句話說(shuō)，當(dāng)信號(hào)源打開(kāi)時(shí)，我們將添加傳感器結(jié)果，而當(dāng)信號(hào)源關(guān)閉時(shí)，我們將減去傳感器結(jié)果。該過(guò)程可以模擬或數(shù)字方式完成。在此處討論的應(yīng)用中，我們對(duì)ADC結(jié)果進(jìn)行了相關(guān)。ADC轉(zhuǎn)換在LFSR時(shí)鐘源的負(fù)沿觸發(fā)，然后在中斷中關(guān)聯(lián)每個(gè)轉(zhuǎn)換結(jié)果。圖5顯示了每個(gè)ADC中斷調(diào)用的函數(shù)。該功能獲取每個(gè)樣本，并將樣本與脈搏血氧儀應(yīng)用程序中的三個(gè)傳感器中的每個(gè)相關(guān)聯(lián)。我們還將ADC結(jié)果與未使用的LFSR抽頭相關(guān)，以進(jìn)行背景測(cè)量，但是除了好奇心之外，它并沒(méi)有太多用處。重復(fù)進(jìn)行30次累加，然后停止關(guān)聯(lián)，然后應(yīng)用程序可以讀取每個(gè)傳感器的關(guān)聯(lián)結(jié)果。

圖5相關(guān)代碼示例

結(jié)果

下圖顯示了使用新的PDM技術(shù)（圖7）和舊的TDM技術(shù)（圖6）的脈搏血氧儀演示的結(jié)果。）。這些圖顯示了相關(guān)結(jié)果（PDM）和TDM結(jié)果，它們被抽取以匹配相關(guān)周期?？傮w而言，每個(gè)PDM樣本代表30個(gè)ADC樣本，每個(gè)TDM樣本代表28個(gè)總樣本（（3個(gè)傳感器+ 1個(gè)背景）×7）。PDM結(jié)果顯示出峰峰值幅度大約是TDM結(jié)果的兩倍。與TDM技術(shù)中每個(gè)源的七個(gè)樣本相比，PDM技術(shù)為每個(gè)源提供了有效的16個(gè)樣本。使用PDM方法添加更多光源不會(huì)影響有效樣本的數(shù)量（使用大小為4的LFSR最多可限制15個(gè)光源），但是使用TDM技術(shù)時(shí)，每個(gè)其他光源都需要花費(fèi)更多的時(shí)間。

圖6TDM相關(guān)結(jié)果：紅色650nm，藍(lán)色650nm，黑色940nm

圖7PDM相關(guān)結(jié)果：紅色650nm，藍(lán)色650nm，黑色940nm

分析

由于使用的唯一操作是TDM或PDM方法，因此可以很容易地應(yīng)用統(tǒng)計(jì)錯(cuò)誤傳播技術(shù)來(lái)評(píng)估應(yīng)用程序中的折衷。使用TDM還是PDM更好？如果使用PDM，是否最好使用較長(zhǎng)的序列或在相等的時(shí)間內(nèi)重復(fù)較短的序列？

如果傳感器測(cè)量值的總和為：

現(xiàn)在，通常，ML序列的相關(guān)結(jié)果為2n-1，這也是序列（k）的長(zhǎng)度。假定您可以傳輸1和-1（推挽），這是正確的。對(duì)于這種脈搏血氧儀，我們只有發(fā)光二極管，并且只能向系統(tǒng)添加光。使用長(zhǎng)度為15的ML序列，LED點(diǎn)亮該序列的8個(gè)芯片，熄滅7個(gè)芯片。環(huán)境光一直存在，因此最終得到的是源振幅的八倍和環(huán)境光的一倍。公式5中顯示了更通用的形式，公式6中顯示了誤差傳播。

C =相關(guān)結(jié)果
St=所有信號(hào)源振幅的總和
B =背景
n =LFSR的長(zhǎng)度

σc ^=相關(guān)樣本的誤差
σb=背景的誤碼測(cè)量
σ小號(hào)=求和源測(cè)量值的誤差（見(jiàn)等式2）
K =2?-1 = ML序列長(zhǎng)度
S =源數(shù)

在給定的源測(cè)量結(jié)果等于SB的情況下，TDM的分析要簡(jiǎn)單一些，其中S是源的測(cè)量，而B是背景的測(cè)量。將其乘以m（SB）的測(cè)量次數(shù)即可得出誤差為。

我們已經(jīng)將這些等式放入電子表格[2]中，因此您可以估算TDM或PDM是否更適合您的應(yīng)用。至少在紙上，我們發(fā)現(xiàn)一個(gè)或兩個(gè)光源使用TDM可獲得更好的結(jié)果（例如，只有一個(gè)紅色LED和一個(gè)用于脈沖氧化的紅外燈），三個(gè)或更多個(gè)光源使用PDM可獲得更好的結(jié)果（例如，紅色，IR和綠色LED在許多具有心率監(jiān)測(cè)功能的可穿戴設(shè)備中很常見(jiàn)）。

相分復(fù)用應(yīng)在許多傳感器應(yīng)用中找到應(yīng)用，例如脈搏血氧飽和度，觸摸等。我們已經(jīng)演示了如何在硬件中生成信號(hào)，共享了一種將多路復(fù)用信號(hào)相關(guān)以分離出單個(gè)信號(hào)的方法，并提供了一套統(tǒng)計(jì)工具來(lái)比較PDM與TDM，從而使設(shè)計(jì)人員能夠?yàn)樗麄兊膽?yīng)用選擇合適的方法。

編輯：hfy