视觉假体高阶调制解调系统VLSI优化设计

杨 媛,彭 凯,吕 磊,高 勇

(西安理工大学电子工程系,西安710048)

视觉假体高阶调制解调系统VLSI优化设计

杨 媛,彭 凯,吕 磊,高 勇

(西安理工大学电子工程系,西安710048)

视觉假体中无线能量传输效率和无线数据传输速率随着信号载频频率增大而减小。为此,提出将16DAPSK高阶调制解调技术应用于视觉假体中。分析16DAPSK在视觉假体中的应用优势,给出16DAPSK超大规模集成电路(VLSI)算法和硬件结构。结合滤波器系数对称、简化的RAG算法图等实现电路的VLSI优化设计。基于DE4平台完成系统硬件验证、数据传输速率、能量传输效率分析与实验。结果表明,系统工作正确,采用16DAPSK技术可简化电路解调硬件结构,解决信道延迟的不定性问题,提高视觉假体应用的可靠性。VLSI优化后的硬件资源减少57%,体积减小,提高了视觉假体临床应用的可行性。较传统低阶调制技术,16DAPSK高阶调制在较高的数据传输速率下,载波频率的降低提高了能量传输效率,解决了能量与数据传输效率矛盾的问题。

16DAPSK技术;视觉假体;超大规模集成电路;光幻视;能量效率

1 概述

科技的发展让整个世界变得日新月异,也给一些曾经不可治愈的疾患病人带来了福音。心脏起搏器、人工耳蜗、人工关节等无一不是科技进步的见证。然而,如何使盲人恢复部分视觉功能仍是一个极具挑战性的问题。采用视觉假体帮助盲人患者产生视觉感受是目前国内外学者正在研究的热点问题之一,目前已取得了很多阶段性研究成果[1-2]。视觉假体利用多数盲人往往只有部分视觉通路发生病变,而其余部分神经组织的结构和功能尚完好的特点,对视觉通路的完好部位施加特定的人工电刺激,来兴奋神经细胞,模拟自然光刺激的效果,使盲人产生视觉感受[3]。按植入位置不同,视觉假体主要分为3类:视网膜假体,视神经假体,视皮层假体[4]。无线射频传输电路是视觉假体中不可或缺的模块之一。对于生物植入设备,难点在于解决能量和数据传输效率矛盾的问题,同时保证设备体积足够小。由于皮肤对信号的吸收,为了提高能量传输效率,要求载波频率降低;同时,为了保证数据传输速率,又要求提高载波频率,通用的解决方法是采用双线圈能量数据分开传输,但这样会增加电路体积和引起线圈之间的干扰,不利于生物体内植入[5-6]。本文提出将高阶调制解调技术应用于视觉假体中,用单线圈实现低的载波频率传输高的数据速率,以解决能量与数据传输效率矛盾问题。分析MDAPSK(高阶差分幅度相移键控)的应用优势,并对16DAPSK进行VSLI设计与优化,最后在DE4平台上采用Altera的Stratix IV GX系列芯片验证了设计的硬件系统,同时进行了能量传输效率实验分析。

2 视觉假体系统

2.1 系统框图

视觉假体系统框图如图1所示。系统分体外部分和体内部分,体外部分包括图像采集、处理、编码模块和数据调制模块,体内植入部分包括能量接收、数据解调、数字控制逻辑、电极驱动模块和电极阵列。

图1 视觉假体系统框图

系统的工作原理如下:通过图像采集、处理,编码系统获取外部视觉信息;将编码后的外界图像信息通过调制模块调制到体外线圈上发射;体内植入线圈通过皮肤信道接收来自体外线圈的发射信号;能量接收模块和数据解调模块分别获取模块供电电压和电极刺激信息;数字控制逻辑处理解调后数据,得到指定周期和间隔的刺激脉冲开关控制信号;开关控制信号控制电极驱动电路,产生指定脉宽和电流大小的刺激信号,加载到刺激电极阵列;刺激电极阵列植入视觉通路,刺激视觉细胞,产生生物动作电位,进而产生光幻视。

2.2 系统特性与调制方式选择

视觉假体作为生物植入设备要求具体有体积小、功耗低、稳定性高等特性。体积的减小可增加临床应用的可行性;功耗低可减少植入设备在人体内部的发热,避免对人体组织造成伤害;由于视觉假体系统发送端与接收端传输距离存在不确定性,导致信道的传播延时存在不确定性,因此高的稳定性要求系统能够解决信道延迟问题。

高阶调制解调技术一个码元可携带多位数据信息,因此,较低阶调制解调技术,高阶调制解调在相同的数据传输速率下,码元速率更低,这样既有利于降低通信载波频率,解决能量与数据传输效率矛盾的问题,又可以降低解调端信号翻转概率,从而减小系统功耗,提高视觉假体性能。目前广泛应用的高阶调制技术是正交振幅调制(Quadrature Amplitude Modulation,QAM),但QAM需要采取相干解调,这就需要了解传输信号的信道失真,也就是作信道估计,增加了电路复杂性,同时还需要在数据流中插入训练符号序列,又会使系统的有效传输速率降低,因此,QAM技术并不适用于视觉假体无线射频传输中。DAPSK[7-8]技术可以克服上述缺点,其解调的可靠性与信道延迟无关,这大大降低了解调端硬件复杂度,因此,与QAM技术相比,DAPSK技术能更好地满足视觉假体对体积、功耗、稳定性方面的要求。本文选择16DAPSK作为系统数据调制方式,对调制解调系统进行VLSI设计和优化,并给出了相关硬件验证结果。

3 16DAPSK调制解调算法

3.1 16DAPSK编解码方式

MDAPSK是基于幅度和相位差分的方式进行调制的,其信号空间表达式为:

矢量集S概括了差分信号空间。其中,Na是幅度状态数,Na=2ma;ma为用于幅度调制的比特数;Np是相位状态数,Np=2mp;mp为用于相位调制的比特数;信号的总状态数M=Na×Np=2m;m为输入比特数,要求m=ma+mp;Δφ为矢量的最小相位差,且有Δφ=π/NP,为了避免由于180°相位跳变使信号包络产生很大波动,频谱特性变差,在旁瓣上聚集更多的能量,要求相邻调制符号周期的信号相位差Δφi满足如下公式:

以16DAPSK为例,每个码元包含4 bit(下面以ABCD表示)信息,高位用于差分幅度调制,幅度阶数Na=2,低3位用于相位调制,相位阶数为Np=8,最小差分相位Δφ=π/8,信号状态数为16。图2为16DAPSK信号空间的坐标分布,在每个幅度圆周上分布了8个相位点,共同构成差分信号空间。虚线区域上的点对应的差分幅值γk为2或0.5,表示数据最高位A为“1”,实线区域上的点对应γk为1,表示数据最高位A为“0”。数据低3位通过差分相位进行编码,其与差分相位对应关系如表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。采用这种方式编码的优点是只要从数值的符号和绝对值的大小就能判断出具体的数据信息,从而简化数据解码过程,减少硬件资源。

图2 16DAPSK信号空间

表1 16DAPSK相位编码

3.2 16DAPSK调制原理

设第K个码元调制后的信号为Sk,且信号的表示形式如式(3)所示:

其中,Ak为信号的幅度;ωc为载波的角频率;φk为信号的相位;Δφk为码元间的相位差。

利用三角函数展开Sk得:

令Ik=cos(φk),Qk=sin(φk),那么Ik-1= cos(φk-1),Qk-1=sin(φk-1)。它们的关系如式(3)、式(4)所示:

调制所需信息有:幅度差分值γk(Ak=γk×Ak-1),前一已调信号幅度Ak-1,相位差值Δφk和前一已调信号相位φk-1。

3.3 16DAPSK解调原理

设解调端接收的信号为S′k,表示形式如式(7)所示:

其中,φd为信号在信道中的相位延迟。

与接收端同频载波进行混频的结果如式(8)、式(9)所示:

其中,φc为发收两端载波相位差。

经过匹配滤波后输出的信号如式(10)、式(11)所示:

由上式推得前一码元的表示形式如式(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为码元间的幅度比。最后由式(17)、式(18)可推出:

从上述解调原理可以看出,信号在信道中的相位延迟φd、发收两端载波相位差φc,在解调运算过程中仅作为中间运算量,对实际解调结果不产生影响。因此,将16DAPSK技术用于视觉假体射频传输中,解调无需提取相干载波,也不需要对信号在信道中的延迟做特殊处理,这既简化了解调过程,降低硬件资源,又解决了由于收发距离不定性导致的信道延迟问题,提高了视觉假体应用的可靠性。

4 16DAPSK VLSI设计与优化

4.1 调制解调端VLSI硬件结构

调制端VLSI硬件结构框图如图3(a)所示。输入信号经过串并转换后,高位进行幅度编码,低3位进行相位编码。相位编码后信息结合幅度编码信息通过差值和匹配滤波提高系统所占的频带资源,同时减小功率谱的旁瓣衰减幅度,这样,在保证奈奎斯特准则的前提下,通过增大带宽来保证采样的准确性。最后信号通过混频相加并转化为模拟信号后由线圈发射出去,由于采用差分方式,取模调制后信号用于下一个符号周期信号的编码。

解调端的VLSI硬件框图如图3(b)所示。调制后信号经过混频滤波电路得到携带数据编码信息的基带信号,该信号不能直接参与后续运算,因为其中包括一些无效的数值。码元同步电路就是要根据匹配滤波后的信号恢复出对应每点峰值的采样信号,而后经过延迟和运算电路得到相关解码信号(γk,cos(Δφk),sin(Δφk)),解码电路采用差分幅度解码最高位,差分相位解码低3位,解码后的数据经过并串转换电路恢复出调制端发送的串行数据。

图3 16DAPSK VLSI硬件框图

4.2 调制解调端VLSI硬件优化

视觉假体为生物植入设备,考虑到人体皮肤组织对高频信号的吸收特性[9-11],本系统载波频率取2 MHz,数据频率为1 Mb/s,时钟为16 MHz;同时考虑患者的安全,要求电路尽量优化。表2为16DAPSK VLSI逻辑综合硬件分布(HHNEC 0.35μm库),可以看出,滤波器硬件资源占总电路,即滤波器所占面积/总面积高达85%。因此,数字滤波器的优化成为减少整体硬件资源的关键。

表2 16DAPSK VLSI硬件分布

16DAPSK VLSI中FIR滤波器基本结构如图4所示。

图4 滤波器基本结构

滤波器需要进行大量乘法运算,而乘法运算耗费大量硬件资源,减少乘法器面积将大幅度减少电路总面积。对于常系数FIR数字滤波器,乘法器可以通过一系列的移位累加来实现。本次优化主要通过系数对称、系数分解,同时共用部分子表达式来优化电路结构,在此基础上得出乘法运算电路的RAG算法图[12-13],从而达到简化VLSI硬件的目的。

根据16DAPSK硬件需求,利用 Matlab中的FDATOOL工具设计得到滤波器系数,并量化,如表3所示。

表3 滤波器系数

从上述滤波器系数表格可以看出,滤波器系数关于中间系数h17对称,因而输入数据x(n)与系数h18～h33相乘运算可以省略,共用其与系数h1～h16相乘结果。在系数对称的基础上,去掉滤波器系数符号(符号可以通过滤波器的抽头延迟线上的减法来实现),利用系数分解并共用部分子表达式进一步减小电路硬件资源,系数处理过程如表4所示。

结合上表系数处理过程可得到输入数据x(n)与系数相乘的RAG(Reduced Adder Graph)算法图以及最终优化后的滤波器示意图如图5所示。

对滤波器常系数乘法器进行优化后,再次综合16DAPSK电路,得到电路硬件分布如表5所示。其中,滤波器所占面积/总面积为65%。对比表5和表2,可以看出:经电路优化后,16DAPSK硬件资源减少高达57%。电路规模的减小对于视觉假体生物植入设备临床应用于具有巨大的实践意义。

表4 滤波器系数处理过程

图5 滤波器优化

表5 16DAPSK VLSI优化后硬件分布

5 16DAPSK VLSI系统验证

5.1 调制解调电路仿真

对16DAPSK VLSI硬件电路设计及优化后,采用synopsys vcs软件对电路代码进行仿真验证。仿真结果如图6所示,其中,filter_cout信号为解调端匹配滤波后携带了码元信息的同步信号;syn_out信号为同步采样信号序列,采样同步信号有效峰值用于数据解码,其中一个同步信号对应4位数据信息的解码;din为调制端发送的随机数据序列;dout为经过16DAPSK VLSI后的解调数据。从图中可以看出,发送与接收数据经过一定延迟后保持一致,数据收发功能正确。

图6 16DAPSK VLSI仿真

5.2 调制解调电路硬件验证

16DAPSK VLSI通过功能仿真后,在Altera DE4验证平台进行了系统的FPGA硬件验证。验证框图如图7所示,调制后的信号输出到DAC中,然后通过ADC输入到混频电路中,以模拟视觉假体实际工作过程。调制后中间信号通过示波器采集观察;在确保中间信号正确的前提下,通过嵌入式逻辑分析仪验证收发数据是否一致。

图7 FPGA验证方案框图

最终验证得到调制后信号波形及系统整体验证结果如图8所示。

图8 16DAPSK硬件验证结果

图8 (a)为16DAPSK调制后信号波形,调制后的前后有效码元幅度比值为1,0.5或2,幅度实现了差分;图8(b)为嵌入式逻辑分析仪对电路进行了整体的数据收发情况验证结果,din为发送数据比特流,dout为接收端解调后的数据比特流,可观察到dout经过一定的系统延迟后与din数据达到一致。实验结果表明,16DAPSK调制解调硬件电路功能正确,能够实现数据的频带通信,满足视觉假体应用要求。

5.3 数据与能量传输效率分析与验证

考虑到植入设备的安全性,视觉假体射频传输采用单线圈对同时传输能量和数据,目前国内外普遍利用低阶调制解调技术,载波频率选择在5 MHz～15 MHz范围,数据传输速率停留在500 Kb/s以下,能量传输效率低于70%[4,14-15],未见相关高阶技术应用的报道。由于一个码元可携带多位数据信息,本文提出的16DAPSK技术在2 MHz载波频率下数据正确传输速率达到1 Mb/s,较传统低阶调制技术,数据传输效率提高了2倍多,这使得相同时间段内刺激电极数量增加,进而提高光幻视分辨率。在数据传输速率得以提高的基础上,为进一步验证16DAPSK高阶技术在视觉假体能量传输效率上的优势,利用频谱测量仪测试信号能量,采用当日宰杀的新鲜猪肉将次级线圈全方位紧密包裹模仿人体生物组织对能量传输效率的影响,线圈之间的距离为2 cm,测得16DAPSK电路发射信号功率为24.55 dBm,即约285 mW;接收信号功率为23.40 dBm,即约219 mW,能量传输效率达到近77%,较传统低阶调制技术,16DAPSK调制技术载波频率的大幅降低明显提高了信号能量传输效率。

6 结束语

本文主要针对视觉假体中能量与数据传输效率的矛盾问题,提出将16DAPSK高阶调制解调技术应用于视觉假体的无线能量与数据传输中。首先分析了视觉假体特性以及16DAPSK在视觉假体应用中的优势,然后对16DAPSK VLSI进行设计和针对性的优化,优化后电路硬件资源降幅高达57%,提高了视觉假体生物植入的可靠性和安全性,电路优化完成后,16DAPSK VLSI在Altera DE4平台完成验证,整个系统硬件功能正确,最后通过分析与实验验证了16DAPSK可有效解决数据与能量传输效率的矛盾。

[1] Dommel N B,Wong Y T,Lehmann T,et al.A CMOS Retinal Neurostimulator Capable of Focussed,Simultaneous Stimulation[J].Journal of Neural Engineeing,2009,6(3).

[2] Weiland J,Cho A,Humayun M.Retinal Prostheses: CurrentClinicalResults and Future Needs[J]. Ophthalmology,2011,118(11):2227-2237.

[3] 邢玉梅.视觉假体及神经微电极的研究进展[J].眼科研究,2009,27(4):336-339.

[4] 黄伟昌,王国鹤,吴开杰,等.视觉假体神经刺激器的发展现状和挑战[J].中国医学物理学杂志,2010,27 (4):2051-2055.

[5] 王国鹤,吴开杰,黄伟昌.神经假体能量和数据传输的发展与研究[J].中国生物医学工程学报,2010,29 (6):909-915.

[6] 莫亚男,孙晓东.视觉假体的最新研究及临床试验进展[J].国际眼科纵览,2009,33(6):419-421.

[7] Xu Shuzheng. Application of DAPSK in HF Communications[J].IEEE Communications Letters, 2005,9(7):613-615.

[8] Rohling H.Differential Amplitude Phase Shift Keying (DAPSK)——A New Modulation Method for DTVB [C]//Proc.of International Conference on Broadcasting Convention.[S.l.]:IEEE Press,1995:102-108.

[9] Ziaie B,Najafi M D,Nardin K,et al.A Single-channel Implantable Microstimulator for Functional Neuromuscular Stimulation[J].IEEE Transactions on Biomedical Engineering,1997,44(10):909-919.

[10] Jow U M,Ghovanloo M.Modeling and Optimization of Printed Spiral Coils in Air,Saline,and Muscle Tissue Environments[J].IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems,2009,3(5):339-347.

[11] Xue Ruifeng,Cheng Kuangwei.High-efficiency Wireless Power Transfer for Biomedical Implants by Optimal Resonant Load Transformation[J].IEEE Transactions on Circuits and Systems,2013,60(4):867-874.

[12] 王 婷,王森章.基于可重构乘法器的FIR数字滤波器设计[J].微处理机,2008,29(5):1-4.

[13] 胡 锦,彭 成,孙晓宁.FIR数字滤波器的优化设计[J].宇航计测技术,2006,26(6):48-55.

[14] Kendir G A,LiuWentai,BashirullahR,etal.An Efficient Inductive PowerLink Design forRetinal Prosthesis[J].IEEE Transactions on Circuits and Systems,2004,60(4):41-44.

[15] Troyk P R,Demichele G A.Inductively-coupled Power and Data Link for Neural Prostheses Using a Class-E Oscillator and FSK Modulation[C]//Proc.of the 25th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society.[S.l.]: IEEE Press,2003:3376-3379.

编辑 顾逸斐

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

国家自然科学基金资助项目(61102017);陕西省教育厅专项科研计划基金资助项目(12JK0499)。

杨 媛(1974-),女,教授、博士生导师,主研方向:集成电路设计;彭 凯、吕 磊,硕士研究生;高 勇,教授。

2013-11-14

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

中文引用格式:杨 媛,彭 凯,吕 磊,等.视觉假体高阶调制解调系统VLSI优化设计[J].计算机工程,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.